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一、文章概述

膜基滲透功率采集是一種可持續(xù)發(fā)電的策略。具有高離子電導率和選擇性的二維納米流體是滲透能轉(zhuǎn)換的新興候選材料。然而，納米約束下的離子擴散受到均勻的單調(diào)電荷調(diào)節(jié)和嚴重的濃度極化的二維膜的阻礙，這導致了不理想的功率轉(zhuǎn)換性能。這篇文章報道了一種具有兩層結(jié)構(gòu)的不對稱納米通道膜，其中二維過渡金屬碳化物/氮化物(MXenes)的尺度通道作為控制離子輸運的屏蔽層，嵌段共聚物(BCP)的納米級孔隙是具有有序納米形結(jié)構(gòu)的ph響應陣列。這種高效的滲透能發(fā)生器可以推進對基于mxene的異質(zhì)納米流體器件作為膜基能量轉(zhuǎn)換技術(shù)的范式基本理解。

二、圖文導讀

圖1.MXene/PS-b-P2VP異質(zhì)滲透發(fā)電機的制造示意圖。

在上圖中，a)異質(zhì)膜的制備。PS290000-b-P2VP72 000 在通過真空輔助過濾獲得的二維MXene膜上進行自旋涂層。b)基于MXene/PS-b-P2VP異質(zhì)膜的濃度梯度下的滲透能轉(zhuǎn)換示意圖。PS-b-P2VP相對pH敏感；因此，在不同的pH值下可以調(diào)節(jié)孔徑和電荷特性，從而調(diào)節(jié)非均勻納米通道的離子傳輸和滲透發(fā)電能力。

圖2.材料的結(jié)構(gòu)表征圖。

上圖中，a)已制備的PS-b-P2VP膜在MXene膜上的掃描電鏡圖像。b)PS-b-P2VP膜表面在一系列pH值下的接觸角。c)PS-b-P2VP膜浸沒在0.01m氯化鈉水溶液中的液相AFM圖像，pH值從3.0調(diào)節(jié)到11.0。不同的孔徑與吡啶基團(pKa≈5.2)在P2VP鏈上的質(zhì)子化和脫質(zhì)子化有關(guān)。當pH超過5.2時，孔隙徑急劇上升到≈60nm。d)MXene/PS-b-P2VP異質(zhì)膜的橫斷面掃描電鏡圖像。e)層狀MXene薄膜的橫截面圖像。f)不同pH值下完全水合MXene膜的XRD光譜。

圖3.MXene/PS-b-P2VP異質(zhì)膜的表面電荷控制的離子跨膜性質(zhì)。

圖4.滲透發(fā)電原理示意圖。

上圖中，a)自制的收集滲透能并提供外部負荷電阻的實驗裝置示意圖。在pH為11處，兩種正向和反向擴散兩種構(gòu)型下50倍梯度的I-V曲線。在MXene側(cè)有高濃度的氯化鈉溶液（紅色曲線）下，Isc的絕對值為15.5μA。在pH11處的氯化鉀鹽度梯度下，異質(zhì)膜的校準擴散電位(Ediff=VOC−Eredox)和跨膜離子轉(zhuǎn)移數(shù)(t+)。d)輸出功率密度和電流密度作為50倍濃度梯度下負載電阻的函數(shù)。在負載電阻為≈5.5kΩ時，輸出功率密度達到6.74Wm−2。e)膜在滲透能轉(zhuǎn)化過程中的穩(wěn)定性能。

三、全文總結(jié)

綜上所述，通過在異質(zhì)結(jié)構(gòu)上部的ph響應BCP層，制備了一種基于mxene的異質(zhì)納米流體器件。由于具有不對稱納米通道、化學成分和可調(diào)表面電荷密度的異質(zhì)結(jié)，在模擬海洋/河流水系統(tǒng)中實現(xiàn)了高達6.74Wm−2的功率密度。這種不對稱的異質(zhì)結(jié)構(gòu)由于在寬pH范圍內(nèi)的不對稱電荷和尺寸分布，損害了均勻mxene結(jié)構(gòu)所束縛的濃度極化。此外，在高pH值下，異質(zhì)膜的跨膜離子通量和選擇性也有所提高。這項工作可能為在廣泛的pH范圍內(nèi)的高效滲透發(fā)電創(chuàng)造機會，特別是為在極端pH值下的工業(yè)廢水的滲透能轉(zhuǎn)換創(chuàng)造了可能性

文章鏈接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202105013