鹽差能作為一種清潔、穩(wěn)定的可再生能源，近年來(lái)受到廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)鹽差能的收集方式主要基于反向電滲析（RED）技術(shù)，其核心在于通過(guò)高離子選擇性的膜材料以產(chǎn)生凈離子流，因此，性能一直受“通量—選擇性”博弈的制約。高選擇性通常要求膜材料具有亞納米級(jí)的孔徑，這不僅增加了膜的制備難度和成本，還使得能量轉(zhuǎn)換效率容易受到結(jié)構(gòu)缺陷的影響。此外，高選擇性膜還能導(dǎo)致嚴(yán)重的濃差極化，從而使大面積測(cè)試下的功率密度急劇下降，進(jìn)一步限制了鹽差能的規(guī)模化應(yīng)用。現(xiàn)實(shí)中，許多高功率密度材料通常僅在極小測(cè)試面積中得到驗(yàn)證（1 μm2到0.03 mm2），距離實(shí)際的大規(guī)模應(yīng)用仍存在顯著差距。
針對(duì)上述問(wèn)題，青島能源所高軍研究員與山東大學(xué)劉鵬教授合作，提出了一種利用擴(kuò)散—滲透（diffusio-osmosis）機(jī)制來(lái)收集鹽差能的新方法，不同于選擇性機(jī)制的RED技術(shù)，該機(jī)制產(chǎn)生的電流源于雙電層內(nèi)界面滲透壓梯度驅(qū)動(dòng)的擴(kuò)散—滲透流攜帶的凈電荷，不依賴膜材料的離子選擇性。
此前，利用單孔氮化硼納米管、石墨納米通道的研究已表明該機(jī)制有望實(shí)現(xiàn)超高功率密度的鹽差能轉(zhuǎn)換，但在膜尺度上仍缺乏相關(guān)研究。研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)難以找到合適的膜材料匹配該機(jī)制開(kāi)展研究，發(fā)現(xiàn)利用磺酸共價(jià)有機(jī)框架（COF）膜致密分布的磺酸基團(tuán)、垂直排列的孔道結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)基于擴(kuò)散-滲透機(jī)制的可規(guī)模化鹽差發(fā)電。
圖1?基于磺酸COF膜在不同鹽度梯度下的鹽差能轉(zhuǎn)換機(jī)制
在5 M/0.5 M NaCl濃度梯度下，由于COF通道內(nèi)的德拜長(zhǎng)度（λD）不重合，因此該膜不具備電荷選擇性，Na+和Cl-的滲透測(cè)試進(jìn)一步驗(yàn)證了這一結(jié)論。此外，擴(kuò)散—滲透電流與活度比的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系，表明擴(kuò)散—滲透機(jī)制主導(dǎo)了鹽差能轉(zhuǎn)換過(guò)程。此過(guò)程中，COF致密分布的磺酸基團(tuán)提供了高電荷密度，增強(qiáng)了電雙層內(nèi)界面滲透壓梯度從而能有效產(chǎn)生擴(kuò)散—滲透流，結(jié)合其垂直排列的一維孔道，能高效驅(qū)動(dòng)離子輸運(yùn)。避免了傳統(tǒng)RED對(duì)選擇性的依賴，克服了“通量—選擇性”博弈和濃差極化等問(wèn)題。在0.03 mm2測(cè)試面積下，實(shí)現(xiàn)了101.2 W m-2的最大功率密度，顯著高于多數(shù)已報(bào)道材料。當(dāng)膜面積放大兩個(gè)數(shù)量級(jí)（~20 mm2），功率密度仍能維持在~7 W m-2。這一新機(jī)制的優(yōu)勢(shì)在于不依賴膜材料的離子選擇性，使得體系表現(xiàn)出前所未有的抗缺陷能力，即便在膜上引入超過(guò)測(cè)試面積10%的針孔缺陷，仍能維持穩(wěn)定的輸出電壓與輸出功率，而傳統(tǒng)RED膜在類似條件下幾乎完全失效。這一發(fā)現(xiàn)顯著提高了膜材料的制備容錯(cuò)度，有望降低膜材料的制造成本并提高其工程化應(yīng)用的可行性。
圖2?磺酸COF膜的制備與表征??
圖3?擴(kuò)散-滲透機(jī)制鹽差發(fā)電
該研究展示了一種抗缺陷、可規(guī)模化的擴(kuò)滲鹽差發(fā)電新機(jī)制，克服了傳統(tǒng)RED技術(shù)的局限性，為實(shí)現(xiàn)規(guī)模化的鹽差發(fā)電提供了新思路。相關(guān)成果近期發(fā)表在Angewandte Chemie International Edition上，文章的第一作者是山東大學(xué)與青島能源所聯(lián)合培養(yǎng)的博士研究生潘尚發(fā)。
圖4?高功率密度且可規(guī)模化的鹽差發(fā)電
圖5?抗缺陷性能
