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【能源】Angew：利用金属有机框架膜在高盐度水中实现可规模化放大的纳流渗透能发电

X-MOL资讯 2023-03-26


相比于风能和太阳能等可再生能源，渗透能的优势在于不受天气变化的影响，可提供更稳定的电力输出。近年来，纳流膜在渗透能转换方面展现了巨大的潜力，但由于大多数研究仅在约10-2 mm2或更小的膜面积下进行了测试，其规模化仍是一项挑战。
近日，中国科学院青岛生物能源与过程研究所的高军研究员、山东大学的刘鹏副教授和青岛大学的刘学丽副教授合作，通过利用具有亚纳米孔道的金属有机框架膜和高盐水源，展示了一种可规模化放大的纳流渗透能发电的策略。

图1. 金属有机框架膜的制备和表征。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.
研究团队指出，纳流渗透能发电难以规模化放大的原因是膜外电阻高，这意味着如果纳流膜的电阻已经低于膜外电阻，无论如何提升纳流膜的离子通量均无法有效提升系统电导，也就无法提升功率密度。以往研究主要测试小尺寸膜，膜的电阻足够高，不存在该问题，但一旦放大膜的尺寸，膜的电阻急剧变小后，该问题成为制约渗透能发电的瓶颈问题。
考虑到这点后，本文研究人员提出利用金属有机框架膜在高盐度水中实现可规模化放大的纳流渗透能发电。其中高盐度水提供了高的膜外电导，而金属有机框架膜的亚纳米级孔道保证了高盐度下的电荷选择性，因此将膜测试面积放大到7 mm2，功率密度仍可以稳定在1.7 W/m2，这是迄今为止报道的纳流膜在大尺寸膜测试面积下的最高值。基于Poisson–Nernst–Planck方程的有限元计算也进一步证实了高盐水源和亚纳米通道的重要性。这项研究为实现规模化的渗透能发电提供了新思路。

图2. 可规模化放大的纳流渗透能发电和基于Poisson–Nernst–Planck方程对于亚纳米级孔道和高盐水源协同效应的有限元计算。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.
这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是中科院青岛能源所与山东大学联合培养的博士研究生潘尚发。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：Toward Scalable Nanofluidic Osmotic Power Generation from Hypersaline Water Sources with a Metal-Organic Framework MembraneShangfa Pan, Peng Liu, Qi Li, Bin Zhu, Xueli Liu, Junchao Lao, Jun Gao, Lei JiangAngew. Chem. Int. Ed., 2023, DOI: 10.1002/anie.202218129
高军研究员简介

高军，研究员，博士生导师，界面仿生工程研究组课题组长。2009年获山东大学物理学学士学位；2014年获中科院化学所物理化学博士学位，导师江雷研究员；2014年-2016年在美国西北大学材料科学与工程学院黄嘉兴教授课题组从事博士后研究；2017-2019年在荷兰特文特大学Frieder Mugele教授课题组从事博士后研究；2020年加入中科院青岛能源所。已发表论文 20 余篇，包括Nat. Commun.，JACS，Angew. Chem.，PNAS，Chem. Soc. Rev.，ACS Nano，Nano energy 等，部分成果被Sciencedaily、Nanowerk、腾讯、新浪等数十家国内外媒体宣传报道。主持中科院高层次人才计划、山东省自然科学基金优青等项目，参与国家重点研发计划，累计经费逾1500多万。
https://www.x-mol.com/university/faculty/319348
刘鹏副教授简介

刘鹏，山东大学副教授，博士生导师，研究领域为辐照效应、核技术应用等；2013年获山东大学博士学位，2012-2013年在田纳西大学-橡树岭国家实验室离子束实验室联合培养；围绕载能离子辐照基本作用机制及其在微纳制备/物性调控等方向开展研究工作，发表SCI论文80余篇，通讯作者论文发表于Adv. Funct. Mater., Nano Today, Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy Mater., Acta Mater.等学术期刊，主持6项国家与省部级基金项目，担任Acta Mater.等学术期刊审稿人。
刘学丽副教授简介

刘学丽，博士，副教授，硕士生导师。本科就读于吉林大学化学学院，并于2009年获得理学学士学位。随后在中国科学院化学研究所硕博连读，并于2014年获得理学博士学位。在学期间曾获得中科院院长优秀奖。2017年于荷兰特文特大学医学细胞生物物理实验室从事短期研究员项目。2020年6月经青岛大学特聘人才计划引进，加入材料科学与工程学院-海洋纤维新材料研究院。以通讯作者/第一作者身份发表论文于Adv. Mater.，Angew. Chem.，Chem. Soc. Rev.，ACS Nano、Water Res.，Small，ACS Appl. Mater. Interfaces等。


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