北京工业大学张倩倩Nature子刊：资源友好型全天然2D纳米流体膜助力零碳盐差能量收集

【背景介绍】
盐差能是一种储量广泛、环境稳定性强的新型清洁“零碳”能源，其基于不同浓度盐溶液（如海水/河水）之间的化学位差获取电能，整个发电过程无污染物和CO2排放。目前，以离子选择膜为核心的反向电渗析技术是最具工业化前景的一种盐差能发电技术。近年来，具有离子选择特性的二维纳流体膜在盐差能发电方面展现出重要的应用潜力，多种该类型膜的盐差能输出功率实验值已达到工业应用水平（5 W m2）。自然界中，黏土材料具有天然层状、本体带电的特点，是构筑离子选择性二维纳流体膜的理想原料；此外，易于剥离、低成本和环境友好等优势，使其在规模化盐差能发电方面极具应用潜力。近年，北京工业大学张倩倩团队与北京航空航天大学刘兆阅团队合作，以天然蒙脱土为原料构筑了阳离子选择性黏土基二维纳流体膜，获得了0.15 W m2的盐差能输出，并利用温敏分子功能修饰实现了能量输出的智能温控调节【Nano Energy, 2020, 76, 105113】。随后，团队通过芳纶纳米纤维插层提升黏土基二维纳流体膜的机械强度和孔道电荷密度，有效提升了盐差能输出功率（5.16 W m2）和稳定性【Nano Energy, 2022, 100, 107526】。在此基础上，采用纤维素纳米纤维桥联进一步提升黏土基二维纳流体膜的结构稳定性和孔道空间电荷，构筑了兼具超薄高通量和高离子选择性能的全天然二维纳流体膜，并通过生命周期评价，分析了资源环境友好型原料使用对膜制造到渗透能量收集全链条绿色可持续发展的重要作用【Nat. Commun., 2024, 15, 3649】。
【工作简介】
近日，北京工业大学张倩倩教授等人开发了一种纤维素纳米纤维插层蒙脱土纳米片基体的全天然二维纳流体膜，并创新地采用膜材生命周期评价技术展示了其重要的经济、资源和环境效益。一方面，柔性纳米纤维与刚性纳米片桥联形成的空间互锁结构有效提升了二维纳流体膜的稳定性，是构筑高离子通量的大面积、高强度（149 MPa）薄膜的基础；另一方面，纤维素丰富的负电基团显著提升了层间纳米通道的空间负电荷密度，促进了阳离子在二维纳流体膜中的选择性快速传输。基于上述设计，在模拟海水/河水（0.5 M/0.01 M NaCl）条件下，全天然二维纳流体膜的渗透能输出功率达到8.61 W m2，相较于前述黏土膜工作提高了1.7倍，在二维纳流体盐差能发电领域处于领先水平。得益于优异的结构稳定性和均一性，当膜面积扩大至约700 cm2时，不同选区均实现了超过8 W m2的高效渗透能量捕获和超过30天的稳定能量输出，为规模化渗透能量收集和使用奠定了基础。为了探究其实际应用价值，进一步针对全天然二维纳流体膜开展了详细的生命周期评价（LCA）和技术经济分析。研究结果表明，相较于主流氧化石墨烯和MXene基二维纳流体膜，本工作构筑的黏土膜使得全生命周期过程资源消耗降至1/14、温室气体排放降至1/9、生产成本降至1/13，展示出重要的经济、资源和环境效益。综上，本工作为开发可持续、全天然的二维纳流体膜提供了新思路，为大规模的盐差能量收集和利用提供了绿色、便捷、经济的新策略，有望推动膜基欧洲杯线上买球 技术的发展和应用。相关成果以 “All-natural 2D nanofluidics as highly-efficient osmotic energy generators” 为标题发表于国际权威期刊《Nature Communications》，北京工业大学博士研究生唐家东和硕士研究生王允为本文共同第一作者。

【图文导读】

图1 采用纤维素纳米纤维插层黏土纳米片基体构筑的大面积、高强度的全天然二维纳流体膜（2D-NNF）

图2 实验测试结合理论模拟证实2D-NNF具有优异的阳离子选择传输特性，为高效渗透能捕获奠定了基础

图3 在模拟海/河的NaCl水溶液50倍盐差条件下，2D-NNF的最大渗透能量输出功率达到8.61 W m2，在二维纳流体膜盐差能发电领域处于领先水平

图4 针对海水中不同阳离子开展的2D-NNF跨膜传输特性及渗透能量输出性能的详细探究

图5 大面积2D-NNF（φ30 cm）的不同选区均实现了超过8 W m2的高效渗透能量捕获和超过30天的稳定能量输出，展现出重要的实际应用价值

图6二维纳流体膜生产过程的生命周期评价结果显示了2D-NNF具有重要的经济、资源和环境效益，推进了二维纳流体膜在渗透能发电方面的实际应用进程

【结论与展望】
本工作选取低成本、环境友好的黏土和纤维素作为原料，发展了兼具高离子选择和高离子通量的大面积、高强度的全天然二维纳流体膜，实现了超工业化应用水平的高效盐差能量持续稳定输出，且展现出重要的经济、资源和环境效益。本工作发展的全天然二维纳米流体在规模化“零碳”盐差能高效收集和利用方面极具前景，并且在离子筛分和海水淡化等领域也展现出重要的应用潜力。

【文献链接】
[1] J. Tang, Y. Wang, H. Yang, Q. Zhang*, C. Wang, L. Li, Z. Zheng*, Y. Jin, H. Wang, Y. Gu*, T. Zuo. All-natural 2D nanofluidics as highly-efficient osmotic energy generators. Nature Communications, 2024, 15, 3649. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-47915-z.
[2] R. Qin, J. Tang, C. Wu, Q Zhang *, T. Xiao, Z. Liu, Y. Jin, J. Liu*, H. Wang. Nanofiber-reinforced clay-based 2D nanofluidics for highly efficient osmotic energy harvesting. Nano Energy, 2022, 100, 107526. DOI: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107526.
[3] C. Wu, T. Xiao, J. Tang, Q. Zhang*, Z. Liu, J. Liu, H. Wang. Biomimetic temperature-gated 2D cationic nanochannels for controllable osmotic power harvesting. Nano Energy, 2020, 76, 105113.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105113.