图1. 盐差发电示意图
在前期的理论研究基础上,为进一步提高盐差能转换电能性能,中科院理化所仿生材料与界面科学重点实验室闻利平研究员团队以天然的蚕丝为原料,经过多步处理获得蚕丝纳米纤维,进而组装成蚕丝纳米纤维膜。将这种带有负电荷的蚕丝膜与电荷电性可调(pH响应)的氧化铝膜进行复合组装成异质复合膜,用于盐差能的捕获。
图2. 复合膜的组装过程
实验结果显示,该复合膜比单一的膜在能量转换性能上有了明显的提高,通过理论模拟展示了复合膜所具有独特的离子传输与能量捕获的优异特性。复合体系在50倍的盐度梯度下输出的能量密度达到2.86 W/m2。
图3. 复合膜优异的离子传输性能以及高的功率密度输出
此外,实验结果表明,这种具有孔道结构、化学组成和表面电势非对称的复合膜能够促进有效促进离子的输运。该膜在较宽的pH值范围内具有较宽的工作环境,特别是在碱性溶液,复合膜展现出优异的能量转换性能,这为将复合膜应用于工业废水中能量的提取奠定基础。值得注意的是,得益于β折叠在蚕丝蛋白的丰富含量以及复合膜之间的氢键作用,该膜材料表现了长时间稳定性,这也为实际应用奠定了基础。
相关工作近日以长文形式发表于Nature Communications上(Xin, W. et al. High-performance silk-based hybrid membranes employed for osmotic energy conversion. Nat. Commun. 2019, 10, 3876-3885),文章第一作者为辛伟闻和张振博士,通讯作者为闻利平研究员和孔祥玉博士。此外该工作也申请了国家发明专利(专利号:201811524533.4)。
论文链接:https://doi.org/10.1038/s41467-019-11792-8