北工大張倩倩教授&新國立張歲教授《AEM》：構筑高密度垂直通道黏土基二維納流體膜實現高效離子快傳輸

1、背景介紹

目前，以天然黏土為原材料構筑的二維納流體離子選擇膜借助納米限域效應與表面電荷作用，可精準調控離子輸運行為，在滲透能捕獲、離子分離等場景擁有巨大應用潛力。然而，該類膜也面臨著與其他二維層狀材料共有的關鍵技術瓶頸：納米片堆疊后形成迂回冗長的傳質通道，大幅提升離子遷移阻力、降低膜離子電導率，進而嚴重限制離子滲透通量。因此，構筑高滲透通量的二維黏土基納流體膜，是該領域亟待攻克的核心難題。

2、工作簡介

近日，北京工業大學張倩倩教授與新加坡國立大學張歲教授合作提出了一種構筑高密度垂直通道黏土基納流體膜的策略，成功實現了離子高滲透通量與高選擇性的協同傳輸，并進一步將膜材放大化，應用于規模化滲透能捕獲。該膜的技術優勢體現在兩個方面：其一，高密度垂直通道賦予納流體膜短程暢通的離子傳輸路徑，顯著提升了離子通量；其二，高表面電荷密度的納米片賦予膜材優異的陽離子選擇性。此外，無機納米片與有機交聯劑之間的強結合作用大幅增強了膜的機械強度，為其規模化應用奠定了堅實基礎。

實驗表征與理論計算共同證實，該結構設計的二維納流體膜兼具高孔隙率（24.55 %）、高表面電荷密度（-8.17 mC m-2）以及大面積可制備性（675 cm2）。憑借高電荷密度的短程離子傳輸通道，該膜在50倍NaCl鹽度梯度下實現了高達570 A m-2的電流密度和優異的陽離子選擇遷移數（t?=0.91）。在天然海水/河水條件下，其最大輸出功率密度達20.8 W m-2，并保持穩定運行超過18天。尤為重要的是，創新設計的并聯膜孔結構鹽差電池，成功突破了納米流體能量系統中隨著膜面積擴大而導致能量輸出下降的瓶頸。基于此集成的含儲能模塊的鹽差電池組件，可產生充足電能以驅動電致變色顯示器、小型風扇等瓦級商用電子設備，充分展示了其在規模化鹽差能捕獲中的巨大應用潛力。該研究為高性能二維離子膜的設計與構筑提供了全新策略。相關成果以 “High-flux 2D clay nanofluidics for substantial osmotic energy harvesting” 為題發表于國際著名期刊《Advanced Energy Materials》，北京工業大學材料學院博士研究生劉冰為本文第一作者。

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.71217

3、圖文導讀

圖1、高通量黏土基納流體膜（HF-NFM）的設計與表征

圖2、HF-NFM的跨膜離子傳輸行為

圖3、HF-NFM的天然滲透能收集行為及長周期穩定輸出

圖4、基于HF-NFM集成的高能量鹽差電池組

4、結論與展望

本工作開發了一種高密度垂直通道的黏土基納流體膜，兼具高離子滲透通量和高離子選擇性，實現了高效的滲透能量持續穩定輸出，在離子篩分和海水淡化等領域也展現出重要的應用潛力。

5、相關文獻鏈接

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6、通訊作者簡介

通訊作者：張倩倩，北京工業大學教授，博士生導師，主要從事功能離子膜與新體系離子電池研究。近年，在Nat. Commun.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、J. Membr. Sci.、Chem. Eng. J.等重要期刊發表學術論文100余篇，被引用4000余次，H因子36，原創性工作被評選為“北京地區廣受關注學術成果”；獲授權國家發明專利11項，實現技術轉化3項；作為負責人主持國家自然科學基金項目、軍委科技委重點工程項目、北京市自然科學基金項目和市科技委課題等10余項；榮獲北京市科技新星、北京市科協青年托舉人才、北京市屬高校教師隊伍建設優秀青年人才等獎勵。

通訊作者：張歲，現任新加坡國立大學化學與生物分子工程系（NUS ChBE）副教授，致力于研究膜分離及其在水處理、碳中和、清潔能源等相關領域的應用，近期側重于微孔高分子材料的設計及傳輸機制。以第一或通訊作者在Science Advances、Nature Communications、PNAS、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Journal of Membrane Science等國際期刊發表論文100余篇，總引用9千余次。獲全球華人化工杰出青年女科學家獎（2023年）、新國大教師研究獎（2022年）、美國化工學會新加坡杰出青年教師獎（2021年）等獎項。此外，還擔任Desalination and Water Treatment編輯，及Advanced Membranes、npj Clean Water等期刊編委。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。

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