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Science Advances刊发北航化学学院高龙成课题组最新研究成果
上传时间:2021年05月20日      浏览次数:

北航新闻网5月20日电(通讯员 高龙成)2021年5月19日,Science Advances杂志在线全文发表了北航化学学院江雷院士、高龙成副教授在仿生不对称膜高效转换盐差能的最新研究成果:“Large-scale, robust mushroom-shaped nanochannel array membrane for ultrahigh osmotic energy conversion”。化学学院博士生李超为第一作者,高龙成副教授为通讯作者,北京航空航天大学化学学院为第一单位。

在河流入海口,由于海水-河水之间的浓度差而存在着盐差能,它是一种储量巨大的清洁能源,被称为“蓝色”能源。基于“反电渗析法”的盐差电池是最有前景的盐差能转换方式,电池中的核心部件是分隔海水-河水的离子交换膜。然而,目前市场上所有的离子交换膜的能量密度不高,远低于工业可接受的数值(5 W/m2),是限制盐差能转换的瓶颈问题。

为了解决这一难题,我校高龙成副教授课题组向自然学习,深入思考电鳗鱼高效放电现象的机理(瞬时电脉冲>600 V,功率密度>10 W/m2),总结了电鳗发电细胞中离子通道的结构特点,即具有超薄离子选择层的化学/几何不对称纳米离子通道。针对这一特点,研究团队通过精准的分子设计、合成,构筑了大面积、超高面密度的、具有薄选择层的、不对称纳米孔阵列膜。

大面积、超高面密度的、具有薄选择层的、不对称纳米孔阵列膜的制备路线。

研究团队经过多年的探索,开发了一种大面积、高密度纳米孔膜的快速制备技术(Angew. Chem. Int. Ed.2016,55, 13056;J. Am. Chem. Soc.2017,139, 8905)。在此基础上,研究团队将具有空腔结构的超支化聚乙烯亚胺分子精准的修饰到纳米孔的端口,形成单分子层作为离子选择层(5 nm),通过“标度理论”分析,所构筑的不对称膜的孔密度高达1012cm-2。不对称膜表现出优异的离子二极管行为,有效的抑制了浓差极化,实现了高效的盐差能转换(功率密度高达22.4 W/m-2)。这种仿生不对称纳米孔阵列膜的理念为下一代离子交换膜的设计提供了新思路,将在海水淡化,离子筛分等领域具有广阔的应用前景。

该工作得到了中科院理化所闻利平教授,北京大学杨爽副教授大力合作和帮助,北京大学化学院博士生罗龙飞、牛津仪器的刘志文博士、布鲁克的孙童博士在纳米结构表征方面提供了大力帮助。研究工作也得到了科技部重点专项(2017YFA0206904, 2017YFA0206900, 2016YFC1402500)、国家自然科学面上基金(21875009)等项目的资助。

该论文的原文链接:

(审核:李红捷)

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