青岛大学隋坤艳、刘学丽/中科院青能所高军ACS Nano：光促多离子相互作用增强废水盐差发电

工业生产持续排放的大量废水中含有丰富的渗透能（也被称为盐差能），高效提取该能量可降低水处理的能源和经济损耗，进而有望同时实现废水处理及废水发电。然而，废水盐差发电挑战很大，为实现高功率密度，它要求离子选择性膜对目标离子具有高通量，同时，为避免环境污染，它又要求膜可以高效阻隔工业废水中的重金属离子。也就是说，克服离子选择性膜材料普遍存在的渗透-选择性博弈难题、同时实现目标离子的高通量高选择性传输，是实现废水盐差发电的关键。

针对这一问题，青岛大学隋坤艳教授、刘学丽副教授团队与中国科学院青岛生物能源与过程研究所高军研究员团队近期合作开展了系列工作。在前期研究中，设计得到高选择性、高通量的二维蛭石钠离子埃流通道，展示了该离子通道在废水盐差发电中的应用潜力（ACS Nano 2023, 17, 17, 17245–17253）。研究揭示，可利用亚纳米限域和通道材料表界面性质调控解决以往纳流膜材料普遍存在的离子渗透-选择性博弈难题，为废水盐差发电材料的设计奠定了基础。

在近期的工作中，研究人员进一步将材料设计拓展到宏观膜材料，并提出一种埃流通道内光促多离子相互作用策略，用以实现高通量高选择性的钠离子传输。实验证明，在100 mW cm^-2的白光照射下（近似1太阳光照强度），通过利用MXene优异的光热效应，可实现MXene层状膜埃流通道内的光促钠离子传输，相比无光条件下传输速率提高429%，通量可达62.6 mol m^–2 h^–1。有意思的是，锰、铜、铅等重金属离子的渗透反而降低，使得Na⁺/Mn²⁺、Na⁺/Cu²⁺、Na⁺/Pb²⁺的选择比从几百到高达2050，与无光时相比提高一个数量级以上（图1、2）。

分子动力学模拟揭示，多离子相互作用是这一现象的内在机制（图3），而该机制正是生物离子通道高效传输目标离子、实现其生理功能的关键策略之一。由于MXene的光热效应，受光照后更多目标离子（Na⁺）进入通道内，传输速率提高。而进入的Na⁺越多，通道外其他带正电的竞争离子所受静电排斥作用就越强，使得竞争离子传输阻力越大，导致竞争离子渗透受到进一步抑制，从而同时提升了目标离子传输的通量及选择性。基于上述结果，研究人员将MXene层状膜应用于光促废水盐差发电，通过调节膜两侧盐溶液浓度梯度，功率密度可达19 W m^-2（图4），同时避免了废水中重金属离子的渗透及对另一侧清洁水源的污染。

该工作展示了仿生多离子相互作用策略对高效离子传输的重要性，为先进分离膜材料的设计和优化提供了新思路，也为传统高能耗废水处理技术的革新提供了新选择。研究成果以“Light-Augmented Multi-ion Interaction in MXene Membrane for Simultaneous Water Treatment and Osmotic Power Generation”为题发表于ACS Nano（ACS Nano 2023，Article ASAP，DOI: 10.1021/acsnano.3c08487）。文章第一作者为青岛大学/青能所夏家香及青能所高宏飞。研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等的支持。

【图文导读】

图1二维层状MXene膜用于光促钠离子选择性传输。图片来源：ACS Nano

图2 MXene层状膜光增强的钠离子渗透性和选择性。图片来源：ACS Nano

图3 MXene层状膜埃流通道内的仿生光促多离子相互作用机制。图片来源：ACS Nano

图4 MXene层状膜用于光增强的废水盐差发电。图片来源：ACS Nano

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c08487