东华大学丁彬/斯阳AM：仿生电鳗！用于渗透压差高效电能收集的气凝胶离子传输马达

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在要求较少碳排放的大背景下，各种清洁能源的利用技术也越来越得到学界和业界的重视。利用渗透压差产生的电能是一种巨大的、可持续的、清洁的能源，也是替代现有化石能源的备选方案之一。但是大规模实现渗透压差产生电的关键技术瓶颈是宏观规模且笨重的离子选择性渗透膜不能协同满足高功率密度、低电阻、可扩展性和机械坚固性的要求。

在自然界中，电鳗可以实现利用离子梯度放电，它的神经元介导的电器官可以完全从离子流中产生100W的可怕放电，用于驱赶捕食者和制服猎物。因此电鳗的结构是渗透压差电能收集技术可以学习的对象。电鳗的电器官的典型进化特征是成千上万的细长神经纤维和电活性细胞，它们以平行堆叠的方式遍布电鳗身体的后部80%。在脉冲期间，神经元纤维产生刺激信号，促进静止的电细胞中的离子接近、进入，并通过细胞膜的纳米流体通道向细胞外空间运输，从而产生约75mV的跨细胞电。通过千上万的多个器官堆叠串联，能够实现600V以上的巨大电位。

受启发于电鳗的放电方式，近期东华大学丁彬、斯阳团队构思了一种纳米尺度的组装策略，制作了一种气凝胶离子马达（NMIMs）为离子传输提供纳米通道。所得的气凝胶离子马达表现出丰富的次纳米孔道、超高的表面积（952 m2 g-1）、高的孔隙体积（2.5 cm3 g-1）、低阻力和卓越的离子选择性等综合特征，并且具有优良的机性和可扩展性。当NMIM系统被用作渗透性发电装置时，能够在混合天然河水和海水时产生超过30W m-2的功率密度。该工作以题为“Meta-Aerogel Ion Motor for Nanofluid Osmotic Energy Harvesting”的文章发表于 Advanced Materials上。

气凝胶离子马达的设计与制备

该文主要模仿电鳗的放电器官结构，使用集成的三元配置的纳米流体电缆纤维作为电细胞主要成分的类似物，以模仿神经元介导的放大的离子通道交通。NMIMs的设计和合成基于三个设计原则，第一，纳米流体电缆纤维应该是具有刺激核心、传递间隙和离子传输通道的异质结构；第二，传输层应该具有精确的亚纳米级孔隙结构；第三，柔性纳米流体电缆纤维必须以高孔率大规模组装成气凝胶块。具体制备过程如下，首先聚苯胺（PANI）在二氧化硅纳米纤维的表面进行空间约束聚合，然后使用溶剂编织法在PANI层内同时构建纳米多孔通道，并在二氧化硅芯层和PANI壳层之间构建质量传递间隙。最后，所得到的纳米流体电缆纤维通过层状冷冻干燥方法被组装成三维气凝胶离子马达。

当离子通过NMIM时，阳离子被带正电荷的PANI所排斥，而阴离子则向纳米流体电缆纤维传递。随后，阴离子通过电双层（EDLs）重叠的带正电PANI层的纳米通道，在那里发生了快速的纳米流体传输。Cl-阴离子向纳米流体纤维移动，并通过PANI的纳米多孔通道，从高浓度一侧到低浓度一侧。众多的阴离子可以通过数以千计的NMIM的纳米流体纤维实现传输。因此，穿过气凝胶的定向阴离子流从高浓度侧到低浓度侧可以引起净扩散电流、扩散电压和渗透能。此外，在与具有盐度梯度的混合溶液接触时，表面带负电荷的SiO2纳米纤维可以排斥阴离子并促进这些阴离子物种在间隙结构中的扩散，这将进一步增加这些阴离子接近PANI管层的纳米多孔通道位点的概率。这种三元异质结构的纳米流体电缆纤维的优点是，它初步模仿了神经元介导的放大的离子交通，即离子接近、进入并通过纳米流体通道运输的概率更高。

气凝胶离子马达的电能收集应用

由于质子化胺和亚胺基团的存在，纳米孔PANI管在pH为4的电解质中带正电荷的zeta电位。纳米孔NMIM在高电解质浓度下应表现出表面电荷主导的离子输运特性。为了证明这一点，通过使用定制的动态流动电池测量跨气凝胶电流来研究NMIM的离子输运特性。NMIM被夹在顺式和反式室之间，由于K +和Cl -的水化半径和体积流动性相似，因此引采用了氯化钾电解质系统。在顺式室中，氯化钾浓度固定为0.1mM，而反式室的氯化钾浓度从1、10、100、500到1000mM变化。因此，相应的浓度梯度比为10、100、1000、5000-和10000从不对称电解质的I-V曲线得出的渗透电压（Vos）和电流密度，这归因于纳米流体气凝胶上的离子渗透和反向电压。直观地说，阴离子从高盐度室穿过气凝胶到低盐度室，Vos大约与浓度梯度成正比，而电流密度从260到1836 A m -2呈现指数式增长。即使在10,000的高盐度梯度下，NMIM的计算t+也在0.1到0.3之间，表明了其突出的阴离子选择性。明显的Cl -选择性源于纳米多孔通道的正电荷壁，它允许Cl -阴离子的渗透，同时排斥K +阳离子，这是由耦合尺寸/电荷效应引起的。

出于气凝胶优良的离子选择性和阴离子透过性，构建了一个放大的基于气凝胶渗透压差发电机，以展示渗透压发电的性能。为了产生更高的渗透电压，采用一个串联的NMIM结构。每一个发电单元含有海水和河水，构成了0.5 M/0.01 M的压差。12个单元的NMIM堆的I-V曲线，相应的Vos和Ios值分别达到了1.52 V和20.79 A。为了评估实际应用，包含串联模块的NMIM发电机被用作蓝色能量收集器，为一个船舶模型供电。NMIM模块可以直接为连接到螺旋桨的电机提供动力，使船舶在海上航行。

小结：该文报道了一种生物启发的纳米/中尺度组装策略制备了一个气凝胶离子传输马达。这种仿生物元气凝胶具有成千上万的纳米流体电缆纤维，作为 "离子高速公路 "有选择地将离子从海水中输送到河水中，在50倍的盐度梯度下产生了高达30.7W m-2的特殊功率密度。这一特殊的离子传输气凝胶为阴离子传输提供了快速的离子通道，为下一代渗透压差能量的收集提供了新的思路。

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来源：高分子科学前沿

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