摘要：集成一维（1D）材料的薄膜正迅速成为一种极具前景的渗透能量收集平台，但是它们的功率输出常常受到离子选择性不足的限制。基于此，复旦大学赵东元院士和晁栋梁教授（共同通讯作者）等人报道了一种基于介孔二氧化硅涂层多壁碳纳米管/芳纶纳米纤维（MCNTs@mSiO2/AN

成果简介

集成一维（1D）材料的薄膜正迅速成为一种极具前景的渗透能量收集平台，但是它们的功率输出常常受到离子选择性不足的限制。基于此，复旦大学赵东元院士和晁栋梁教授（共同通讯作者）等人报道了一种基于介孔二氧化硅涂层多壁碳纳米管/芳纶纳米纤维（MCNTs@mSiO2/ANF）复合纳米通道膜的阳离子泵送策略，作为渗透发电机，用于渗透能量收集。首先，通过界面自组装策略合成了MCNTs@mSiO2纳米纤维，其表面具有直径约3 nm的均匀垂直排列的介孔通道。然后，采用简单的真空辅助过滤方法，将MCNTs@mSiO2/ANF复合纳米通道膜集成为渗透发电机。实验结果与有限元模拟相结合表明，阳离子在界面介孔中积累，并在较强的浓度梯度下被泵入纤维间孔中，增强了膜离子的选择性。

此外，膜的亲水性有利于离子的顺利传输，保证了离子的高通量。将其应用于人工海水和河水（50倍NaCl盐度梯度）之间的渗透能收集时，复合膜的输出功率密度高达8.24 W/m2，阳离子选择性约为0.91。同时，该膜具有优异的力学性能，抗拉强度约为136 MPa，长时间稳定，适合实际应用。在天然海水/河水系统中，该膜可以提供9.93 W/m2的显著功率密度，超过了最先进的1D材料纳米流体膜的性能。本研究为探索纳米流体膜实现高选择性离子传输以实现高效渗透能转换开辟了新的途径。

相关工作以《Interfacial Mesochannels as Cation Pump for Enhanced Osmotic Energy Harvesting》为题发表在2025年4月7日最新一期《Angewandte Chemie International Edition》上。

赵东元，复旦大学教授、博士生导师，中国科学院院士，也是一位在化学材料领域极具影响力的教授与博士生导师。1984年，吉林大学获学士学位；1987年，吉林大学获硕士学位；1990年，获大连化学物理研究所和吉林大学获博士学位。2007年当选为中国科学院院士；2010年当选第三世界科学院院士；2021年获国家自然科学奖一等奖；2023年入选教育部发布2023年全国教书育人楷模候选人名单，复旦大学成立相辉研究院首任院长；荣获2024年度全国教书育人楷模。

晁栋梁，复旦大学教授、博士生导师，国家海外高层次引进人才（国家四青）、上海市曙光学者，担任复旦大学水系电池研究中心执行主任、Materials Today Energy副主编（IF=9.3，中科院二区）、National Science Review学科编辑等。主要从事水系电化学基础与应用研究。主持国家自然科学基金青年/面上/联合重点项目、国家重点研发计划课题等，曾获得EES Lectureship、中国电化学青年奖、上海市科技青年35人引领计划、《麻省理工科技评论》科技创新35人、USERN Prize Laureate、科睿唯安高被引科学家（2020-2024年）、澳大利亚研究理事会优秀青年及研究新星等奖项。

通过界面自组装策略，作者合成了MCNTs@mSiO2纳米纤维。具体来说，直径约为9 nm的MCNTs分散在含有氢氧化钠、十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）和正硅酸四乙酯（TEOS）的水溶液中。在60 ℃老化后，由SiO2低聚物和CTAB组成的复合胶束在MCNTs表面逐渐自组装，形成均匀涂层的介孔SiO2通道。SEM图像证实，MCNTs表面的介孔SiO2涂层非常均匀。TEM图像表明，合成的MCNTs@mSiO2直径约为37 nm，表面可识别出均匀分布的介孔。高分辨率放大TEM图像显示，涂层的介孔通道排列良好，垂直于MCNTs表面。复合膜的俯视图SEM图像显示，复合膜表面均匀，纤维间孔隙丰富，直径为10~20 nm，表明柔性ANFs嵌入MCNTs@mSiO2纳米纤维之间的空隙中。由于刚性MCNTs@mSiO2和柔性ANFs之间独特的互锁结构，复合膜具有优异的力学性能，抗拉强度达到~136 MPa，超过许多其他1D材料基膜。

图1. MCNTs@mSiO2/ANF复合纳米通道膜合成与表征

图2.复合膜的跨膜离子传输行为

采用氯化钠（NaCl）的跨膜浓度梯度（0.5 M/0.01 M），模拟海水和河水的混合，作者研究MCNTs@mSiO2/ANF的渗透能收集性能。记录的I-V曲线显示开路电压（Voc）约为127 mV，短路电流（Isc）为7.6 μA。测量电流随着负载电阻的增大而减小，输出功率密度先增大后减小，在16 kΩ处达到峰值8.24 W/m2，能量转换效率为33.6%，大大超过了5 W/m2的商业基准。随着ANF含量的增加，Voc先从96 mV上升到127 mV，后下降到115 mV。Isc从5.7 μA增加到7.6 μA，后回落到5.7 μA。随着ANF含量的增加，功率密度首先从4.45 W/m2增加到最大值8.24 W/m2，后下降到5.4 W/m2。

随着膜厚度的逐渐增加，输出功率先从4.52增加到7.3、8.24，后回落到4.52 W/m2。结果表明，当膜厚度为4.5 μm时，薄膜的最佳功率密度为8.24 W/m²。在500倍浓度梯度下，最大输出功率密度达到21.8 W/m2，是50倍浓度梯度（8.24 W/m2）的1.65倍，是10倍浓度梯度（1.44 W/m2）的14.14倍。

图3.高效收集渗透能

图4.阳离子泵在中间通道中的作用

当中国东海的海水与玄武湖的河水配对时，膜的功率密度达到了9.93 W/m2，远远优于其他基于1D材料的最先进膜的性能。在没有电解液补充下，复合膜在12 h的运行中显示出95.1%的电流保留率，证明了其连续发电的耐久性。同时，膜具有良好的循环稳定性。在每小时定期补充电解液的5次循环测试中，观察到电流衰减可以忽略不计。此外，通过串联多个膜单元，系统的输出可以很容易地扩大。随着单元数量的增加，输出电压成比例上升，最终达到2.24 V，足以为电动计算器供电。

图5.真实海水/河水条件下的渗透能收集

文献信息

Interfacial Mesochannels as Cation Pump for Enhanced Osmotic Energy Harvesting. Angew. Chem. Int. Ed., 2025, DOI: https://doi.org/10.1002/anie.202503110.

来源：朱老师讲VASP