中科院理化所AEM：新型仿生热电转换体系——通过离子流定向通过锥形纳米通道阵列收集低品位热能

【引言】

在能源危机的背景下，低品位热源（<100 ℃， 简称为LGH）作为拥有巨大储量而尚未开发的能源受到越来越多的关注。例如，在发电厂和金属冶炼厂的冷却过程中，作为LGH很大一部分的余热，通常以加热的河水或海水这种冷却水的形式储存起来。科学家通过采用半导体热电材料和热电化学器件，努力提取这些储存的能量。然而，为了实现LGH能量的大规模转换，材料或装置必须以成本低效益高和耐受性好来对解决潜在的腐蚀和电解质在水环境中的对材料的消耗。因此，开发结构简单，在水环境中具有高性能的LGH收集系统仍然是挑战。               

人体皮肤是一种复杂的感觉系统，其中包含各种感觉器官。每个感受器控制着生物体的一小部分，并将触觉信息编码以动作电位传导至大脑。例如，外部热刺激可以通过在皮肤热感受器细胞中的温敏瞬时受体电位通道（或thermo-TRPs）被转化为一系列动作电位。但是由于生物离子通道的脆弱性限制了这些纳米通道在能量转换等领域中的应用，而仿生智能纳米通道（BSN）因其具有良好的可调几何形状和化学性质而越来越多地被开发用于清洁能源捕获。通过使离子流定向运动，BSN在过去的几十年里已被用于来收集盐梯度能，太阳能和自发过程诱导能。虽然疏水纳米多孔膜已被报道用于LGH的能源的捕获，但是外部电源（压力）的使用可能会降低其效率。因此，模拟thermo-TRP通过定向离子流来收集能量具有重要意义。

【成果简介】

近日，中国科学院理化技术研究所闻利平研究员课题组（通讯作者）相关论文“Skin‐Inspired Low‐Grade Heat Energy Harvesting Using Directed Ionic Flow through Conical Nanochannels”发表在能源期刊Advanced Energy Materials（影响因子：16.72）上，第一作者谢柑华博士。低品位热能无处不在，其中大部分能源都是作为热河水或海水而开发的。 因此，在能源危机的情况下，通过使用简单的低成本设备来提取储存的能量是有意义的和有价值的。通过使用BSN来模拟生物热感应过程，在无需外部电源的情况下，系统可以直接进行热电转换。而外界温度刺激可以通过人造离子通道转换成电信号，即热量可以通过BSN的系统收集。 该仿生体系在膜温度梯度（ΔT）为40 ℃时，其功率密度理论上可以达到88.8 W m^-2。 这种热电转换装置为低品位热收集提供了新的平台，可以扩展电子皮肤领域并在皮肤假体中找到应用。

【图文解析】

图1.仿皮肤的LGH收集系统实验装置和热电行为。A）仿生热电转换装置示意图。具有锥形仿生纳米通道的PI聚合物膜用于分离具有不同温度的溶液，其中纳米通道的小口端一侧是高温（Th）溶液。 B，C）仿生纳米通道的扫描电子显微照片顶视图和横截面视图。比例尺，200纳米。 D）快速测试热电现象Th（40 ℃）> Tc（25 ℃），观察到明显的动作电流。

图2. A）电流，B）电压和C）输出功率与电解质浓度关系，实验条件：Th = 65 ℃，Tc = 25 ℃，和d_tip = 11.27 nm。 他们峰值的位置在≈1 M。 除非另有说明，实验中使用的电解质浓度为1 M。

图3. 基于BSN的系统的热电特性。A，B）正向和反向示意图说明。C）电流，D）电压，以及E）输出功率与温度梯度在正向和反向情况下的关系。实验条件：Tc = 25 ℃，d_tip = 11.27 nm，C =1 M。

图4. 基于BSN的热电转换系统的理论模拟。A-C）扩散电流，阳离子转移数量，和表面电荷密度之间的关系。 D）扩散电流与阳离子转移和电荷密度函数的三维示意图。 E）锥形通道和圆柱形通道在高温热液的一侧Cl^- 浓度的比较。 不对称通道有助于抑制浓度极化。 F），该仿生热电转换体系的电流与温度梯度的在理论和实验中关系比较。

图5. 基于BSN的LGH能量收集器的原型。A，B）柔性收集器的示意图和照片。 C）柔性能量收集器产生的功率与温度梯度的关系的。 D）温度梯度与动作电流之间的关系。该自发产生的动作电流与外部温度的刺激密切相关。 E）废热收集系统的循环测试。 经过几十次循环之后仍然表现出稳定的性能。

【总结与展望】

总之， 受人体皮肤启发，我们构筑了基于BSN的热电转换系统，实验和理论结果表明，该体系可用于收集废热，在温度梯度（ΔT）为40 ℃时，其功率密度可达88.8 Wm^-2。该设计思想为理解生物系统中的温度感测过程提供帮助。

基金支持

作者感谢德国GSI提供的离子辐照样品。该工作得到了国家重点研发计划项目的支持（2017YFA0206900），国家自然科学基金（21625303，51673206和21434003）和中国科学院重点部署项目的支持（QYZDY-SSW-SLH014）。

团队介绍：

仿生智能纳孔膜团队隶属于中科院理化所仿生智能界面科学中心，目前该团队已经培养出1名博士后，5名博士生；在站博士后2名，在读博士生4名，硕士生4名。团队主要围绕仿生智能纳孔膜的构筑及应用开展研究。目前发表相关方面的高水平的研究论文六十余篇，其中5次被选为期刊封面，研究成果被多家期刊或媒体做为亮点介绍。撰写三本外文著作各一个章节，授权国家专利五项，主持或作为骨干主持多项基础或重大研究计划项目。

团队近期文章：

1.Bioinspired Smart Asymmetric Nanochannel Membranes, Zhen Zhang, Liping Wen,* Lei Jiang, Soc. Rev. 2018, 47, 322-356.

2.Light- and Electric-Field-Controlled Wetting Behavior in Nanochannels for Regulating Nanoconfined Mass Transport, Ganhua Xie, Liping Wen,* et al. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 4552-4559.

3.Bioinspired Heterogeneous Ion Pump Membranes: Unidirectional Selective Pumping and Controllable Gating Properties Stemming from Asymmetric Ionic Group Distribution, Zhen Zhang, Ye Tian,* Liping Wen,* et al. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 1083-1090.

4.Biomimetic Peptide-Gated Nanoporous Membrane for On-Demand Molecule Transport, Kai Xiao, Liping Wen,* et al. Chem., Int. Ed. 2018, 57, 151-155.

5.Ultrathin and Ion-selective Janus Membranes for High-performance Osmotic Energy Conversion, Zhen Zhang, Liping Wen,* et al. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 8905-8914.

6.A Tunable Ionic Diode based on Biomimetic Structure-Tailorable Nanochannel, Kai Xiao, Liping Wen,* et al. Chem., Int. Ed. 2017, 56, 8168-8172.

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