渗透能是一种储量巨大的可再生能源，主要存在于不同盐浓度水体的盐差梯度中。近年来，二维纳米流体膜被广泛研究，并成为收集渗透能的有效途径。然而，渗透性和选择性之间的权衡效应限制了二维纳米流体膜在渗透能转换性能上的进一步提升。为克服这一难题，研究人员尝试通过添加各种掺杂剂（如量子点、纳米纤维和纳米片等）到二维纳流体通道中以扩大层间距或增加空间电荷，但这些额外的组分却增加了离子传输的阻力，不利于渗透能的有效收集。因此，迫切需要设计出一种既具备高选择性又拥有高离子通量的二维纳流体膜，以实现高效的渗透能转换。
为解决上述问题，中国科学院理化技术研究所闻利平/孔祥玉/辛伟闻研究团队提出了纳米限域牺牲模板策略（NST），制备了一种具有图灵结构纳米通道的二硫化钼复合膜（TNC-MCM）。该策略采用氢氧化铜纳米线（CHNs）作为牺牲模板，在二硫化钼（MoS2）纳米片层间构建了图灵结构纳米通道，显著增加了离子传输路径和功能化区域。同时，利用磺化纳米纤维素（SCNFs）作为片层间的互锁剂，提升了薄膜的空间电荷量和稳定性。与传统的层状MoS2膜相比，TNC-MCM具有额外的纳米通道和增强的空间电荷，这一设计使得TNC-MCM不仅增加了跨膜离子通量，还保留了MoS2的固有特性，维持了较高的离子选择性。
图1. TNC-MCM的制备与结构
实验结果表明，该设计成功打破了离子选择性和通量之间的权衡，在提升离子通量23.4%的同时，保持了良好的离子选择性（0.91）。复合膜在50倍盐度梯度下的输出功率密度达到5.9 W m-2，与不具备图灵结构纳米通道的复合膜相比，输出功率提升了约50%。值得注意的是，TNC-MCM在中国各地实际盐水环境中表现出强大的适用性，在天然海水中输出功率密度达到7.7 W m-2，在盐湖盐水中输出功率密度达到9.8 W m-2。同时，TNC-MCM具备良好的力学强度和稳定性，具备实际长期使用的能力。这项研究突出了膜通道结构设计在渗透能转换中的关键作用，为构建具有高离子通量和高选择性的二维纳米流体通道开辟了新途径，并为后续二维层状纳米流体膜的结构优化和创新提供了灵感。该文章以Turing-type nanochannel membranes with extrinsic ion transport pathways for high-efficiency osmotic energy harvesting为题发表在国际学术期刊Nature Communications上，第一作者为2022级直博生邹可瀚和2021级直博生凌浩洋，通讯作者为闻利平、孔祥玉、辛伟闻。
图2. TNC-MCM的渗透能收集性能
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-54622-2
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