西安建筑科技大学Nat Commun：二维蛭石异质纳米通道膜实际高盐水体盐差能回收

为了解决传统能源如化石能源造成的环境和资源危机，我国制定了“碳达峰”和“碳中和”的战略目标。近年来，蕴含于海水、盐湖卤水和高盐工业废水等各种自然与工业资源中的盐差能，因其储量丰富、可再生等特点，受到了研究者的广泛关注。既往的研究初步证明纳米通道膜在盐差能转换方面具有显著的应用潜力。然而，在实际高盐浓度水体中，由于离子选择性和扩散性的降低，纳米通道膜的盐差能回收效率受到了严重影响，这制约了该项技术的实际应用与发展。

针对这一问题，西安建筑科技大学王磊教授、王琎教授团队开发了基于二维蛭石纳米材料的异质纳米通道膜，通过独特的结构设计，该异质纳米通道实现了“初步富集+二次分离”的离子输运过程。与其他二维材料依赖于表面官能团质子化/去质子化不同，蛭石纳米片的同构取代结构使其在溶液环境下可表现出稳定的高负电性，为实际高盐浓度水环境中高效盐差能回收夯实了基础（图1，图2）。

图1. 蛭石纳米片和纳米通道膜的构建与表征。

图2. 基于蛭石的纳米通道膜离子跨膜传输特性。

此外，具有不同微孔特征的异质纳米通道结构可以实现“初步富集+二次分离”的两段式离子分离机制（图3）。具体来说，当高浓度在带负电的多孔基底一侧时，受到静电作用的吸引，大量阳离子快速进入到多孔基底的通道中并在此完成初步富集，整个纳流系统的离子传输驱动力得到有效提升。随后，离子在超薄的蛭石层内完成二次精确筛分，并表现出更强的离子渗透性，数值模拟研究也有力地证实了这一过程。

得益于这一离子分离机制，即使在高浓度盐度为5 M（盐度梯度为500倍）的极端条件下，基于蛭石的异质纳米通道膜仍表现出高效稳定的盐差能回收性能，输出功率密度（P_max）可达到 33.76 W/m²。为了进一步证明该纳米通道膜在实际高盐环境盐差能回收场景中的应用性能，研究团队选用多种实际盐湖卤水进行了验证，并获得了最高 25.9 W/m² 的功率密度（图4）。该工作展现了在实际高盐卤水、工业废水中实现盐差能有效收集的潜力，对于可持续能源的发展具有重要的意义。

图3. 基于蛭石的异质纳米通道膜选择性离子传输机制。

图4. 基于蛭石的异质纳米通道膜高性能盐差能转换。

综上，该研究专注于解决高盐度系统中盐差能转换的关键挑战，引入了一种具有新型两段式离子分离机制的异质纳米通道膜。克服了盐差能回收技术实际应用中，高离子浓度导致的能量回收效率下降的问题。这项工作将为设计先进的纳米通道结构以实现从工业废水、天然海水和盐水等实际高盐度资源中回收盐差能提供重要的参考。

该成果发表于国际权威期刊《自然-通讯》（Nature Communications），文章的第一作者是西安建筑科技大学环境与市政工程学院王琎教授，通讯作者为王磊教授、王琎教授和苏州大学周柯副教授。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Unlocking Osmotic Energy Harvesting Potential in Challenging Real-World Hypersaline Environments through Vermiculite-Based Hetero-Nanochannels 

Jin Wang, Zheng Cui, Shangzhen Li, Zeyuan Song, Miaolu He, Danxi Huang, Yuan Feng, YanZheng Liu, Ke Zhou, Xudong Wang , Lei Wang 

Nat. Commun., 2024, 15, 608. DOI: 10.1038/s41467-023-44434-1

作者介绍

第一作者、通讯作者：王琎，西安建筑科技大学环境与市政工程学院教授，博士生导师。主要研究方向为受限通道离子筛分技术与工业废水资源化、能源化相关的基础与应用研究，以第一/通讯作者在Nature Communications，Energy & Environmental Science， Angewandte Chemie-International Edition ，Advanced Functional Materials等国际知名期刊发表论文多篇，先后主持国家自然科学基金、国家重点研发计划子课题等项目的研究工作。

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通讯作者：王磊，西安建筑科技大学环境与市政工程学院教授，博士生导师。主要从事水污染控制及盐湖有价资源再生回收等领域的教学与科研工作。陕西省膜分离技术研究院院长、陕西省膜分离重点实验室主任、陕西省膜分离技术重点科技创新团队带头人。先后主持“十四五”国家重点研发计划项目、国家973前期研究专项、重大水专项和国家自然科学基金。

通讯作者：周柯，苏州大学能源学院副教授，2015年本科毕业于西北工业大学，2020年博士毕业于清华大学。主要研究方向为微纳米尺度固液界面、纳米限域物质输运和微纳复杂结构力学问题。以第一作者/通讯作者在 Nature Communications，JACS，Nano Letters, ACS Nano, Chemistry of Materials，JCP，JPC 等相关领域期刊上发表SCI论文20余篇。