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中科院理化所:进步水凝胶纳米流体的离子运输,以实现渗透能转换

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发表于 2021-5-3 19:21:24 | 显示全部楼层 |阅读模式

【科研摘要】

在自然界中,基于离子传输的超快速信号传输是生物过程的底子,通常以水凝胶-水混合机制起作用。受生物体基于水凝胶的体系的启发,中国科学院理化技术研究所闻利平教授/江雷院士研究团队将水凝胶引入纳米流体中,以制备水凝胶杂化膜。

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引入带空间电荷的水凝胶显着改善了离子选择性。另外,基于水凝胶杂化膜的发电装置显示出优异的能量转换性能。在500倍的盐度梯度下,可实现高达11.72 W/m2的最大功率密度。别的,该膜显示出优异的机器性能。这些值是可以实现的,这表明该膜在渗透能转换中的巨大潜力。干系论文以题为Improved Ion Transport in Hydrogel-Based Nanofluidics for Osmotic Energy Conversion发表在《ACS Central Science》上。

【主图导读】

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图1.基于水凝胶混合膜的渗透压发电器的示意图。(a)得益于空间电荷的水凝胶杂化膜的优异阳离子选择性的示意图。如图所示的渗透发电机可以将盐度梯度转换为电能。(b)水凝胶杂化膜的制造过程。(i)将前体溶液倒在PC膜上。(ii)前体溶液充满了通道的空间。(iii)多余的溶液被移除。(iv)通过UV辐射制备水凝胶。(c)水凝胶杂化膜的优异机器性能。

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图2.水凝胶杂化膜的离子传输特性。(a)15%AAc / m膜的离子电导率与浓度的关系,显示出受电荷控制的离子传输。(b)罗丹明6G(Rh(+),方形符号)和磺基罗丹明(Rh(-),圆形符号)的渗透率曲线,表明15%AAc/m膜具有精彩的阳离子选择性。(c)两种模子的阴离子浓度曲线的模拟结果表明,带空间电荷的通道离子选择性提高。

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图3.使用水凝胶杂化膜可显着改善渗透能转换。(a)盐度梯度为50倍时,PC膜和15%AAc/m膜的开路电压和短路电流。插图是他们的统计数据。(b)盐度梯度为50倍时PC和15%AAc/m膜的电流密度和功率密度。(c)统计功率密度随AAc含量的增加而增加。(d)外貌带电纳米通道和空间带电纳米通道的盘算输出功率。

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图4水凝胶混合膜的机器性能。(a)水凝胶杂化膜(15%AAc/m),PC膜和纯水凝胶的拉伸应力。(b)膜的统计拉伸应力。(c)撕裂力曲线为15%AAc/m,PC膜和纯水凝胶。(d)盘算的膜的韧性。(e)15%AAc/m膜在杂交前后的横截面SEM图像(i);比例尺为500 nm。强界面由水凝胶和通道之间的氢键形成。

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图5.水凝胶杂化膜的长期性。(a)该方案说明白摩擦试验。(b)水凝胶混合膜(15%AAc/m膜)的磨损曲线。100次循环后,摩擦力保持在较低的范围内。

【结论】

总之,在实验和理论上都展现了一维水凝胶的离子迁移和反向电渗析。得益于水凝胶的空间负电荷及其独特的离子传输网络结构,该水凝胶杂化膜体现出优异的阳离子选择性,并且基于水凝胶杂化膜的渗透发电器在渗透能转换方面优于普通的。通过混合人工海水和河水,功率密度高达4.08 W/m2,在500倍盐度梯度下的最大功率密度为11.72 W/m2。水凝胶杂化膜还体现出优异的机器性能,有助于保持高性能。别的,杂化膜的超疏油性和低油粘附力可防止其因生物污染而失效。这项工作为设计渗透动力发电和其他传质过程(包罗脱盐和水净化)中的高性能膜体系提供了指导。

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参考文献:doi.org/10.1021/acscentsci.0c01054

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