【2DP-COF渗透膜】具有空间对齐电荷的二维聚合物膜用于高效蓝色能源（渗透能）收集

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摘要：
中国科学技术大学张振和德累斯顿工业大学冯新亮老师等报道的本篇文章（Adv. Mater. 2024, 36, 2310791）中提出了一种新型的二维聚合物膜（2DP），通过在膜中引入空间对齐的电荷，实现了高效的蓝色能源收集。蓝色能源，即海水与河水之间的渗透能，作为一种可持续的可再生能源，因其稳定的能量输出而备受关注。然而，传统膜材料由于离子传输阻力大，导致能量转换效率低下。本研究通过设计具有双重静电效应的纳米流体通道，显著增强了离子选择性和通量，从而大幅提高了渗透能转换效率。实验结果表明，基于丙啶碘化物的二维聚合物膜（PI-2DP）在人工海水与河水混合时，实现了高达48.4 W/m²的功率密度，远超大多数现有纳米流体膜。此外，该膜在地中海海水和易北河水的实际应用中也表现出色，输出功率密度达到42.2 W/m²。这一创新设计为开发高性能离子选择性膜提供了新的思路，有望推动全球蓝色能源的利用。

研究背景：
1. 行业面临的挑战
   随着全球能源需求的不断增长，寻找可持续的清洁能源成为当务之急。蓝色能源，即利用海水与河水之间的盐度差产生的渗透能，因其稳定性和可再生性而备受关注。然而，传统离子交换膜在渗透能转换中存在离子传输阻力大、功率密度低等问题，限制了其实际应用。
2. 其他学者的解决方案
   研究者们尝试通过开发新型纳米流体膜来提高渗透能转换效率。例如，利用单层纳米通道（如单层二硫化钼）或二维材料（如石墨烯和过渡金属碳化物）构建纳米流体通道，以实现高效的离子选择性传输。然而，这些材料在高盐度环境中仍面临离子传输阻力大、电荷分布不均匀等问题。
3. 本文作者的创新思路
   作者提出了一种具有双重静电效应的二维聚合物膜（PI-2DP），通过在膜中引入空间对齐的骨架电荷和内在空间电荷，显著增强了离子选择性和通量。这种设计不仅优化了膜的孔隙结构，还通过静电相互作用实现了低能耗的离子传输，从而大幅提高了渗透能转换效率。

实验部分：
1. PI-2DP膜的制备
   实验步骤：
   1）在室温下，将50 mL去离子水注入一个清洁的玻璃皿中，形成静态空气-水界面。
   2）将20 μL十二烷基硫酸钠（0.086 μmol）小心地滴加到界面上，形成单分子层。
   3）将玻璃皿放入50°C的烘箱中，保持表面静止，蒸发表面活性剂溶剂。
   4）将单体1（2.24 μmol丙啶溴化物）缓慢注入水相中，分散1小时。
   5）将单体2（0.014 mmol 2,4,6-三甲醛苯酚）注入溶液中，反应2天。
   6）通过聚丙烯酰亚胺（PI）和单体2之间的缩聚反应，在水-空气界面上形成连续的橙色膜。
   7）用硅片捞出膜，清洗后在80°C下干燥1小时。
   实验结果：成功制备了PI-2DP膜，膜厚度约为12-14 nm，具有良好的机械稳定性。
2. EB-2DP膜的制备
   实验步骤：
   1）采用与PI-2DP相同的制备方法，但将丙啶碘化物替换为溴乙锭。
   实验结果：成功制备了EB-2DP膜，膜厚度约为12-14 nm，表面平整。
3. DP-2DP膜的制备
   实验步骤：
   1）采用与PI-2DP相同的制备方法，但将丙啶碘化物替换为3,8-二氨基-6-苯基苯并菲啶。
   实验结果：成功制备了DP-2DP膜，膜厚度约为12-14 nm，表面平整，但无电荷位点。
4. 离子传输性能测试
   实验步骤：
   1）将PI-2DP膜沉积在带有微孔（面积为12 μm²）的硅片上，覆盖微孔。
   2）将硅片夹在两个电解池之间，使用标准电极记录电压和电流信号。
   3）在电解池两侧分别加入不同浓度的KCl溶液，测量电流-电压（I-V）曲线。
   实验结果：PI-2DP膜表现出明显的离子整流行为，其I-V曲线呈非线性，表明膜具有电荷调控的离子传输能力。

分析测试：
1. 扫描电子显微镜（SEM）
   - PI-2DP膜厚度约为12-14 nm，表面平整。
   - 结果分析：超薄膜厚度有助于降低离子传输阻力，提高渗透能转换效率。
2. 透射电子显微镜（TEM）
   - PI-2DP膜的高分辨TEM图像显示清晰的晶格条纹，晶格间距为2.6 nm。
   - 结果分析：高结晶性有助于提高膜的离子选择性和稳定性。
3. X射线光电子能谱（XPS）
   - PI-2DP膜表面存在大量的正电荷位点（表面电荷密度为+3.45 mC/m²）。
   - 结果分析：高密度正电荷位点有助于吸引阴离子，增强离子选择性。
4. 傅里叶变换红外光谱（FTIR）
   - PI-2DP膜中未检测到氨基和醛基的特征峰，表明膜成功合成。
   - 结果分析：膜的化学结构完整，适合用于离子传输。
5. 比表面积和孔径分布测试（BET和NLDFT）
   - PI-2DP膜的比表面积为431.1 m²/g，孔径为1.8 nm。
   - 结果分析：高比表面积和均匀的孔径分布有助于提高离子传输效率。
6. 膜的电导率和离子选择性测试
   - PI-2DP膜在0.1 M KCl溶液中的表面电荷密度为+3.45 mC/m²，离子选择性系数达到0.8。
   - 结果分析：膜具有优异的离子选择性和低传输阻力，适合用于渗透能转换。

总结：
本文成功制备了一种具有空间对齐电荷的二维聚合物膜（PI-2DP），用于高效的蓝色能源收集。该膜通过双重静电效应显著增强了离子选择性和通量，实现了高达48.4 W/m²的功率密度，远超大多数现有纳米流体膜。此外，该膜在实际海水和河水混合环境中表现出色，输出功率密度达到42.2 W/m²。这一创新设计为开发高性能离子选择性膜提供了新的思路，有望推动全球蓝色能源的利用。

展望：
1. 长期稳定性测试
   在更长时间和更复杂的环境中测试PI-2DP膜的性能，以评估其实际应用的可行性。
2. 大规模制备方法探索
   开发低成本、大规模制备PI-2DP膜的技术，降低生产成本，推动其商业化应用。
3. 性能优化
   通过化学改性进一步提高膜在不同环境条件下的稳定性，优化其离子选择性和传输效率。

Giant Blue Energy Harvesting in Two-Dimensional Polymer Membranes with Spatially Aligned Charges
文章作者：Xiaohui Liu, Xiaodong Li, Xingyuan Chu, Bowen Zhang, Jiaxu Zhang, Mike Hambsch, Stefan C. B. Mannsfeld, Mino Borrelli, Markus Löﬄer, Darius Pohl, Yuanwu Liu, Zhen Zhang, Xinliang Feng
DOI：10.1002/adma.202310791
文章链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202310791

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