据高分子科学前沿微信公众平台2019年9月16日讯 随着能源需求的不断增长，渗透能作为一种清洁、可持续的能源而被广泛关注。其中，逆向电渗析（RED）是一种很有前途且引人注目的方法，是利用自然水体中的吉布斯自由能。然而，传统RED由于质量输运不足、膜电阻高等限制，对功率密度有较大的限制。此外，目前的膜材料仍存在成本高、制备复杂、输出功率密度低、长期稳定性差等缺点而制约了其实际应用。因此，迫切需要寻求稳定、高效、经济可行的膜材料。基于家蚕丝的纳米纤维（SNF）材料在颗粒分离、柔性电子、隔热纺织品、可穿戴传感器等领域被广泛应用。而阳极氧化铝（AAO）膜具有可控的沟道结构、可接近的表面极性调节和稳定性，因而被广泛应用于模板和基片等领域。因此，将SNF和AAO材料结合用于离子输运或许可以解决上诉问题。
基于此，中科院理化技术研究所研究人员报道了一种高性能的纳米流体装置，该装置的膜是由SNF膜和AAO膜组成。其中，SNF膜是一种具有致密负表面和纳米通道的屏蔽层，在离子输运中起主导作用，而AAO膜为支撑基底，提供可调通道和两性基团。从而建立了一种具有不对称结构和电荷极性的纳米流体膜，具有低电阻、高性能的能量转换和长期稳定性。该系统为可持续发电、水净化和海水淡化提供了新道路。相关工作以题目为“High-performance silk-based hybrid membranes employed for osmotic energy conversion”发表在Nature Communications上。
| 图1．纳米通道膜的制备和表征。（a）SNF/AAO杂化膜的制备示意图；（b）由天然蚕丝中的丝纤维组成纤维的SEM图像；（c）脱胶丝纤维的SEM图像；（d）SNF的TEM图像；（e）杂化膜的横截面SEM图像；（f）杂化膜的示意图；（g）SNF膜表面的SEM图像；（h）SNF膜和脱胶丝纤维的FTIR光谱；（i）SNF膜的孔径分布。 |
| 图2．杂化膜的稳定性和离子传输。（a）记录杂交膜的I-T曲线以研究通过杂化膜的离子传输的稳定性；（b）作为电解质浓度的函数的杂化膜的离子传导性；（c）测量AAO膜、SNF膜和杂化膜的I-V曲线；（d）基于三种膜的3D模型计算的离子浓度曲线。 |
| 图3．测试渗透能转换性能。（a）浓度梯度下的能量收集装置的示意图；（b）盐度梯度采集的两种配置；（c）用高浓度溶液测量AAO在不同浓度梯度下的VOC和ISC；（d）AAO/SNF结构的示意图；（e）AAO、SNF和杂化膜在不同pH溶液中的能量转换性能；（f）输出功率密度和电流密度作为负载电阻的函数；（g）在不同盐度梯度下的I-V曲线；（h）在三个盐度梯度下，测量的电流密度随着外部电阻的增加而逐渐减小；（i）对于5、50和500倍盐度梯度的相应输出功率。 |
| 图4．AAO膜通道尺寸的影响。（a）不同的pH条件下，功率密度随着一系列AAO通道尺寸而变化。（b）在0.01 M NaCl中，pH 3.00～11.00的SNF的Zeta电位；（c）在pH 11.00下具有最佳通道尺寸的混合膜的功率密度；（d）AAO大小对杂化膜能量转换影响的示意图。 |
| 图5．丝纳米纤维膜厚度的影响。（a）改变SNF膜的厚度；（b）最佳厚度的转折点发生在pH～4.53；（c）离子传输能力的示意图和不同力的影响。 |
总之，作者证明了在RED装置中应用基于SNF的杂化膜是一种很有前景的渗透能量收集途径。实验证明具有多相几何、化学和静电势的杂化膜可以促进离子的输运。并且作者筛选了具有选择性功能SNF层的厚度和离子存储AAO通道的尺寸以使能量转换最大化。此外，该杂化膜在较宽的pH值范围内具有较宽的工作环境。在碱性溶液中，该杂化膜具有优异的能量转换性能。得益于β-sheet在丝素蛋白和丰富的氢键而形成SNF/AAO界面的杂化膜具有长期稳定性，并且原材料。因此，在纳米约束环境中引入蚕丝基材料和控制离子输运，揭示了可持续性渗透能量收集的巨大潜力。
