以蚕丝纳米纤维为基础的复合膜应用于盐差能量转换获进展

【时间: 2019-11-01 17:20:44】【字号:

随着能源需求的不断增长,存在于河水和海水交汇处的盐差能(也称为蓝色能)作为一种储量大、易获取的能源,引起了科学家们的极大关注。反向电渗析是一种很有前途的获得盐差能的方法。它捕捉自然水域中不同水体之间的吉布斯自由能,以获得连续的功率输出。红色体系中最关键的成分是离子交换膜。通过提高膜材料的性能来获得更高、更稳定的能量捕获已成为许多研究者的方向。膜基纳米流体系统和纳米流体技术在纳米微环境中表现出良好的离子传输控制能力,为获得盐差能带提供了新的思路。

在以往理论研究的基础上,为了进一步提高盐差能转化为电能的性能,中国科学院理化技术研究所仿生材料与界面科学重点实验室研究员温丽萍的团队以天然蚕丝为原料,通过多步加工获得蚕丝纳米纤维,然后组装蚕丝纳米纤维膜。带负电荷的丝膜和带可调电荷(ph响应)的氧化铝膜结合形成用于捕获盐差能量的异质复合膜。

实验结果表明,复合膜的能量转换性能比单一膜明显提高。理论模拟表明,复合膜具有独特的离子传输和能量捕获的优异特性。当盐度梯度为50倍时,复合体系的能量密度达到2.86 w/m2。

此外,实验结果表明,具有不对称孔结构、化学组成和表面电位的复合膜能有效促进离子迁移。该膜在较宽的ph范围内,特别是在碱性溶液中,具有较宽的工作环境,并表现出优异的能量转换性能,为该复合膜在工业废水能量提取中的应用奠定了基础。值得注意的是,由于丝素蛋白中β折叠的含量丰富以及复合膜之间的氢键作用,膜材料表现出长期的稳定性,这也为实际应用奠定了基础。

相关工作最近以长篇文章的形式发表在《自然-交流》(Xin,W .等人,用于渗透能量转换的高性能丝基杂化膜)中。纳特。Commun.2019,10,3876-3885)。文章的第一作者是辛维文和张震,通讯作者是文立平和孔祥宇。此外,该作品还申请了国家发明专利(专利号:201811524533.4)。

图1。盐差发电示意图

图3。复合膜优异的离子传输性能和高功率密度输出

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