​青岛大学ACS Nano：一种具有高选择性和电导率的二维钠通道用于废水渗透发电！

离子分离技术支撑着水处理、能量转换以及重金属元素提取等先进技术的发展。离子分离的一项关键任务是以高速率传导目标离子，同时以高选择性拒绝竞争离子。通常，要实现高离子选择性，需要尺寸与单个离子相当的通道或孔，即埃级。当前，可以通过将二维纳米片组装成层状膜来构建此类通道，高度可从几Å调节到1 nm以上。然而，由于离子进入狭窄通道时会经历高能垒，目前同时实现高离子电导率仍然具有挑战性。

青岛大学隋坤艳教授、刘学丽副教授和中科院理化技术研究所江雷院士、中科院青岛生物能源与过程研究所高军研究员合作证明了由蛭石粘土纳米片制成的二维通道具备高Na+电导率，同时能以高选择性排斥重金属离子。这种性能归因于高度电负性的晶体表面和极窄的通道（高0.2 nm）。结果表明，高选择性和导电性的钠通道可用于从工业废水中获取渗透能，实现超过20 W m−2的功率密度，同时可防止废弃重金属离子的污染。这项工作提供了一种废水利用和处理的新策略。此外，通过将埃级限制与适当的表面工程相结合，有望打破离子渗透性与选择性的权衡，这可能会对以往具有挑战性的应用带来新的思路。该研究以题为“Two-Dimensional Sodium Channels with High Selectivity and Conductivity for Osmotic Power Generation from Wastewater”的论文发表在《ACS nano》上。

【二维蛭石通道的离子电导率】

作者通过已建立的离子交换方法从块状蛭石中剥离蛭石纳米片。剥离后，获得了稳定且均匀的蛭石纳米片胶体分散液。通过真空过滤，制备了二维层状蛭石膜，其呈现出典型的层状微观结构。X射线衍射图的结果表明，其d间距为1.2 nm，考虑到单层蛭石的厚度为∼1 nm，可推断通道高度为∼0.2 nm。然后，作者用环氧树脂将薄膜紧密密封，以防止薄膜在水中膨胀。最后，作者测试了不同浓度NaCl水溶液的I−V曲线，并根据I−V曲线计算出离子电导率。结果表明，当NaCl浓度从10−6变化到1 M时，该二维通道的离子电导率始终高于本体离子电导率，这表明带电通道具有更高的电导率。

图1 二维蛭石通道及其高Na+电导率

【二维蛭石通道的离子选择性】

作者使用可以区分不同金属离子的电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）来表征扩散渗析的离子选择性。通过使用包括Mn2+、Cu2+和Pb2+在内的金属离子来评估其离子分离性能，因为这些离子是工业废水中最常见的重金属离子。结果表明，Na+的渗透通量高达~1 mol m−2 h−1，这与最先进的离子分离膜相当。相反，重金属离子的渗透速度慢了2个数量级以上。对于Na+/Mn2+、Na+/Cu2+和Na+/Pb2+，选择性分别为264、313和649。上述结果验证了通道尺寸~0.2 nm的埃级二维蛭石通道是具有高选择性和高电导率的钠通道。此外，作者还测试了有机染料（即亚甲蓝）的渗透性，没有发现染料分子穿过膜，这表明该通道还可以防止有机污染。

图2 二维蛭石通道的选择性

图3 离子传输的AIMD模拟

【废水渗透发电】

作者首先使用NaCl溶液测量发电性能，然后添加重金属离子来评估高离子选择性是否有助于通道在废水中保持稳健的性能。在浓度差的驱动下，Na+自发地通过通道传输，产生净电流。短路扩散电流和开路扩散电压分别达到165.3 A cm−2和93.2 mV，能量转换效率可达43%，最大功率密度高达7.3 W m−2，高于商业基准（5 W m−2）。通过改变高盐度水库的NaCl浓度，最大功率密度可进一步提高至~23.2 W m−2。二维蛭石通道的高渗透功率密度和高钠选择性促使作者探索其从废水中产生渗透发电的潜力。作者使用添加了1 mM Mn2+、Cu2+或 Pb2+的 0.01 M NaCl来模拟工业废水。结果表明，对于添加任何一种或同时添加三种重金属离子，与未添加重金属离子之前相比，最大功率密度几乎没有变化。这证实了该通道能够抵抗重金属离子的污染。相反，它们能够用于利用废水进行高性能渗透发电，使废水管理更节能、更经济。

图4 渗透发电

结语：这项工作为废水源的综合利用提供了一种新思路。除了通常研究的海水/河水系统之外，还提供了渗透发电系统的设计与选择。今后可通过对材料进行适当的设计，例如通道长度等，进一步提高其渗透功率密度。此外，对二维蛭石通道的研究展现了通过将埃级限制与适当的表面工程相结合来打破离子渗透性与选择性权衡的可能性，这可能会突破以往材料的限制，实现新的应用。

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acsnano.3c05149

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！