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鹽差電池優(yōu)勢(shì)及其離子選擇膜組件挑戰(zhàn)

鹽差能是一種儲(chǔ)量廣泛、環(huán)境穩(wěn)定性強(qiáng)的新型清潔“零碳”能源，其基于不同濃度鹽溶液（如海水/河水）之間的化學(xué)位差獲取電能，整個(gè)發(fā)電過程無污染物和CO2排放。理論上，全球江河入海鹽差能總量可達(dá)到2.6 TW，相當(dāng)于全球用電量的17%，但是如何高效地利用鹽差能則是一項(xiàng)富有挑戰(zhàn)的課題。目前，以離子選擇透過膜為核心的反向電滲析（RED）技術(shù)被認(rèn)為是最具工業(yè)化前景的一種鹽差能發(fā)電技術(shù)。其中離子選擇透過膜要求單一電荷離子選擇傳輸，通過其分隔兩種不同濃度的鹽溶液，鹽差驅(qū)動(dòng)單一電荷離子發(fā)生定向移動(dòng)，在膜兩側(cè)產(chǎn)生化學(xué)電勢(shì)差，驅(qū)使置于兩側(cè)溶液中的電極發(fā)生氧化還原反應(yīng)，將化學(xué)勢(shì)能直接轉(zhuǎn)換為電能輸出。

為了獲得高效的鹽差能轉(zhuǎn)換，理想的膜材料應(yīng)同時(shí)具備高離子選擇性和高離子透過性，然而二者通常存在“魚”和“熊掌”不可兼得的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，這給高性能膜材料的構(gòu)筑帶來了極大挑戰(zhàn)。目前，商業(yè)化的膜材料具有成本高、離子選擇透過性低和制造過程易產(chǎn)生污染等問題，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。因此，發(fā)展具有低成本、高離子選擇透過性、以及環(huán)境友好型的膜材料是實(shí)現(xiàn)規(guī)模滲透能源應(yīng)用的必經(jīng)之路。

近年，具有層狀結(jié)構(gòu)的二維納流體膜在鹽差能轉(zhuǎn)換方面展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力。從商業(yè)化和環(huán)境可持續(xù)性的角度來看，利用天然原料構(gòu)建二維納流體膜是實(shí)現(xiàn)規(guī)模化滲透能量收集利用的良好選擇之一。天然黏土礦是二維材料的重要載體，具有易于剝離、儲(chǔ)量豐富、環(huán)境友好、價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)，是構(gòu)筑二維納流體膜的良好選擇。然而，由于有限的表面電荷和極低的機(jī)械強(qiáng)度，黏土膜輸出長(zhǎng)期可觀的鹽差電仍然極具挑戰(zhàn)性。

資源環(huán)境友好型全天然納流體膜研發(fā)

2020年，北京工業(yè)大學(xué)張倩倩與北京航空航天大學(xué)劉兆閱團(tuán)隊(duì)合作，開始選用天然層狀黏土為原料構(gòu)筑陽離子選擇膜，當(dāng)時(shí)在沒有添加改性劑條件下獲得了0.15 W m2的鹽差能輸出【Nano Energy, 2020, 76, 105113】。盡管初步驗(yàn)證了黏土可用于鹽差發(fā)電，但是其能量輸出遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際應(yīng)用需求（工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)5 W m2），且黏土膜機(jī)械強(qiáng)度不足，長(zhǎng)周期發(fā)電穩(wěn)定性受限。針對(duì)上述問題，團(tuán)隊(duì)利用芳綸納米纖維插層黏土片構(gòu)筑典型仿貝殼“磚-泥結(jié)構(gòu)”，有效提升了黏土膜的機(jī)械強(qiáng)度和孔道電荷密度，獲得了鹽差能輸出功率（5.16 W m2）的實(shí)質(zhì)性提升，且長(zhǎng)周期發(fā)電穩(wěn)定性也得到了改善【Nano Energy, 2022, 100, 107526】。

基于前述研究，團(tuán)隊(duì)繼續(xù)開展黏土膜放大化制備。然而，前述工作使用芳綸是一種人造纖維，剝離為納米纖維需要使用大量有機(jī)溶劑，不具備高的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益；此外其水溶液分散性不佳，不利于高性能膜規(guī)模化制備。因此，團(tuán)隊(duì)希望尋求一種環(huán)境友好、水溶液分散性良好且成本低廉的納米纖維替代物。

通過調(diào)研，團(tuán)隊(duì)找到了纖維素納米纖維，它是一種從植物纖維素中提取的天然納米纖維，具有環(huán)境友好性和成本優(yōu)勢(shì)（$20/kg），且適合于工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。確定了纖維種類后，我們繼續(xù)對(duì)纖維直徑、前驅(qū)液濃度、黏土片組裝比例等工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)選，成功制備了黏土與纖維素納米纖維復(fù)合的全天然二維納流體膜（圖1）。

一方面，柔性納米纖維與剛性納米片橋聯(lián)形成的空間互鎖結(jié)構(gòu)有效提升了二維納流體膜的穩(wěn)定性，是構(gòu)筑高離子通量的大面積、高強(qiáng)度（149 MPa）薄膜的基礎(chǔ)；另一方面，纖維素豐富的負(fù)電基團(tuán)顯著提升了層間納米通道的空間負(fù)電荷密度，促進(jìn)了陽離子在二維納流體膜中的選擇性快速傳輸。基于上述設(shè)計(jì)，在模擬海水/河水（0.5 M/0.01 M NaCl）條件下，全天然二維納流體膜的滲透能輸出功率達(dá)到8.61 W m2，相較于前述工作提高了1.7倍，在二維膜鹽差能發(fā)電領(lǐng)域處于領(lǐng)先水平。

圖1 采用纖維素納米纖維插層黏土納米片基體構(gòu)筑的大面積、高強(qiáng)度的全天然二維納流體膜

隨后，團(tuán)隊(duì)繼續(xù)探索均一、穩(wěn)定的全天然黏土膜的放大制備。但是，膜放大后一系列問題接踵而至，例如制造設(shè)備升級(jí)、筑膜前驅(qū)液優(yōu)化、制膜基底優(yōu)選、工藝參數(shù)調(diào)整等。歷經(jīng)了為期一年的設(shè)備改進(jìn)及制備工藝優(yōu)化，團(tuán)隊(duì)終于成功制備出了均一穩(wěn)定的大面積全天然層狀黏土膜（700 cm2），并實(shí)現(xiàn)了高效鹽差能發(fā)電（8 W m2）和長(zhǎng)周期發(fā)電穩(wěn)定性（30天），為規(guī)模化滲透能量收集和使用奠定了基礎(chǔ)（圖2）。至此，我們實(shí)現(xiàn)了高性能全天然黏土膜的規(guī)模化制備及鹽差發(fā)電應(yīng)用，如何評(píng)價(jià)資源、環(huán)境友好型的天然原料對(duì)膜制造到能量收集的全鏈條綠色可持續(xù)發(fā)展，成為接下來要考慮的關(guān)鍵問題。

圖2 大面積天然納流體膜（φ30 cm）的不同選區(qū)均實(shí)現(xiàn)了超過8 W m2的高效滲透能量捕獲和超過30天的穩(wěn)定能量輸出，展現(xiàn)出重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值

基于北京工業(yè)大學(xué)材料學(xué)科在材料生命周期評(píng)價(jià)方面的研究特色，我們創(chuàng)新地提出追溯不同材料合成前端，對(duì)膜材整個(gè)制造過程進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)及技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。隨后，團(tuán)隊(duì)開展了為期數(shù)月的調(diào)研走訪以獲得準(zhǔn)確的材料生產(chǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)，開展了系統(tǒng)的生命周期評(píng)價(jià)工作。結(jié)果表明，相較于主流的二維膜材（氧化石墨烯、MXene等），本工作構(gòu)筑的層狀黏土膜在全生命周期的資源消耗降至1/14、溫室氣體排放降至1/9、生產(chǎn)成本降至1/13，展示出重要的經(jīng)濟(jì)、資源和環(huán)境效益（圖3）【Nat. Commun., 2024, 15, 3649】。

綜上，本工作為開發(fā)可規(guī)模化制備的二維膜材提供了新思路，為高效鹽差能量收集和利用提供了綠色、便捷、經(jīng)濟(jì)的新策略，有望推動(dòng)膜基新能源技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

圖3 二維納流體膜生產(chǎn)過程的生命周期評(píng)價(jià)結(jié)果顯示了2D-NNF具有重要的經(jīng)濟(jì)、資源和環(huán)境效益，推進(jìn)了二維納流體膜在滲透能發(fā)電方面的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)程

相關(guān)研究成果以“全天然二維納米流體作為高效滲透能源發(fā)電機(jī)”（All-natural 2D nanofluidics as highly-efficient osmotic energy generators）為題發(fā)在Nature Communications。北京工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院2022級(jí)博士研究生唐家東和碩士研究生王允為共同第一作者，北京工業(yè)大學(xué)張倩倩教授、鄭子龍教授和顧一帆教授擔(dān)任共同通訊作者。

產(chǎn)業(yè)前景

目前，該成果的主要應(yīng)用領(lǐng)域是“零碳”鹽差能發(fā)電。對(duì)于天然海水/河水、工業(yè)廢鹽水等存在的儲(chǔ)量巨大的離子鹽差電化學(xué)勢(shì)能，可利用該成果發(fā)展的離子選擇性層狀黏土膜進(jìn)行高效捕獲，通過搭建核心鹽差電池組件，應(yīng)用于儲(chǔ)能電站實(shí)現(xiàn)規(guī)模化鹽差能捕獲和利用。此外，層狀黏土膜在鋰電池和液流電池等電池體系也具有普適應(yīng)用性，可作為功能隔膜優(yōu)化離子傳輸，實(shí)現(xiàn)電池能量密度和壽命的提升。

除能源領(lǐng)域應(yīng)用外，層狀黏土膜的離子選擇篩分功能使其在環(huán)境和水資源領(lǐng)域也表現(xiàn)出重要的應(yīng)用潛力，具體應(yīng)用包括：污水處理、鹽湖提鋰、鹽水精制和海水淡化等。

論文信息

發(fā)布期刊 Nature Communications

發(fā)布時(shí)間 2024年4月29日

文章標(biāo)題 All-natural 2D nanofluidics as highly-efficient osmotic energy generators

（https://doi.org/10.1038/s41467-024-47915-z）

參考文獻(xiàn)

[1] J. Tang, Y. Wang, H. Yang, Q. Zhang*, C. Wang, L. Li, Z. Zheng*, Y. Jin, H. Wang, Y. Gu*, T. Zuo. All-natural 2D nanofluidics as highly-efficient osmotic energy generators. Nature Communications, 2024, 15, 3649. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-47915-z.

[2] R. Qin, J. Tang, C. Wu, Q Zhang *, T. Xiao, Z. Liu, Y. Jin, J. Liu*, H. Wang. Nanofiber-reinforced clay-based 2D nanofluidics for highly efficient osmotic energy harvesting. Nano Energy, 2022, 100, 107526. DOI: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107526.

[3] C. Wu, T. Xiao, J. Tang, Q. Zhang*, Z. Liu, J. Liu, H. Wang. Biomimetic temperature-gated 2D cationic nanochannels for controllable osmotic power harvesting. Nano Energy, 2020, 76, 105113.

DOI: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105113.

研究團(tuán)隊(duì) | 作者

酥魚 | 編輯

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