滲透能源自水體鹽度梯度，是一種儲(chǔ)量巨大且可再生的能源載體，僅河流入?？诘哪臧l(fā)電潛力即可滿足全球17%的電力需求。反向電滲析技術(shù)通過(guò)離子選擇膜捕獲鹽差能，其中陰離子選擇性膜通過(guò)電極反應(yīng)將滲透的Cl–轉(zhuǎn)化為氯化銀沉淀，可維持穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)力，在工業(yè)高鹽廢水的人工鹽差利用中展現(xiàn)出“變廢為寶”的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。然而，傳統(tǒng)聚合物膜因孔道結(jié)構(gòu)不規(guī)則導(dǎo)致傳質(zhì)阻力高，二維材料受限于復(fù)雜擴(kuò)散路徑與弱層間作用，而現(xiàn)有共價(jià)有機(jī)框架(COFs)膜則因介孔尺寸偏大、功能化修飾破壞通道有序性等問(wèn)題，難以實(shí)現(xiàn)原子級(jí)電荷分布。開(kāi)發(fā)兼具高陰離子選擇性與低傳質(zhì)阻力的離子膜成為推進(jìn)該技術(shù)實(shí)用化的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
上海高等研究院“納孔構(gòu)型分離與能源轉(zhuǎn)化”科研團(tuán)隊(duì)曾高峰研究員、徐慶副研究員聯(lián)合上海大學(xué)石國(guó)升教授及賓夕法尼亞大學(xué)Joseph S. Francisco院士的理論團(tuán)隊(duì)，基于氯離子通道蛋白的啟發(fā)，設(shè)計(jì)出一種具有原子級(jí)電荷規(guī)則分布的陰離子選擇膜。該研究通過(guò)定量骨架電荷工程，精準(zhǔn)調(diào)控骨架正電荷密度，構(gòu)建出高電荷、貫通納米通道的自支撐膜材料。在不引入金屬離子及支鏈位阻的前提下，實(shí)現(xiàn)了氯離子的高效選擇性傳輸，同時(shí)保持通道低傳質(zhì)阻力。實(shí)驗(yàn)表明，該膜在模擬高濃鹽水梯度(50000倍)下，發(fā)電功率密度達(dá)240 W m?2，突破商業(yè)化閾值近50倍，系統(tǒng)電阻低至5 kΩ，連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行80小時(shí)。相較于傳統(tǒng)聚合物膜(約7 W m?2)及二維材料體系(5-50 W m?2)，其能效提升顯著，為工業(yè)高濃鹵水資源化利用與分布式鹽差發(fā)電提供了解決思路。
該成果近日以“Quantitative Skeletal-Charge Engineering of Anion-Selective COF Membrane for Ultrahigh Osmotic Power Output”為題發(fā)表于《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》(J Am Chem Soc, 2025, 147, 15777)。論文第一作者為上海高研院博士生鄭雙、上海大學(xué)劉星博士和王春雷教授及上海交通大學(xué)博士生歐陽(yáng)兆鋒，第一單位為上海高研院。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市及中國(guó)科學(xué)院等項(xiàng)目支持。
離子傳輸控制是以物理場(chǎng)、材料界面及動(dòng)態(tài)響應(yīng)機(jī)制為調(diào)控手段，通過(guò)跨尺度干預(yù)離子遷移路徑、速率及選擇性，實(shí)現(xiàn)離子輸運(yùn)精準(zhǔn)操控的核心技術(shù)體系，是連接化學(xué)、材料、能源、環(huán)境等領(lǐng)域的共性科學(xué)節(jié)點(diǎn)?！凹{孔構(gòu)型分離與能源轉(zhuǎn)化”科研團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期深耕晶態(tài)多孔材料的離子限域傳輸控制領(lǐng)域，以新型材料為核心對(duì)象，進(jìn)行材料端系統(tǒng)探索，實(shí)現(xiàn)位點(diǎn)動(dòng)態(tài)活化(“點(diǎn)活潑”)、構(gòu)建低阻傳輸通道(“線通暢”)、優(yōu)化表界面能壘分布(“面絲滑”)。基于離子傳輸控制的細(xì)分場(chǎng)景與多學(xué)科應(yīng)用，在離子截留與快速脫鹽(Nat Water 2023, 1, 800; JACS 2024, 146, 3075; Nat Commun 2017, 8, 825)、離子定向傳輸與電池枝晶抑制(Adv Mater 2024, 36, e2313076; Angew Chem Int Ed 2025, 64, e202417973)、離子吸附與資源回收(Angew Chem Int Ed 2024, 63, e202317015; Angew Chem Int Ed 2024, 63, e20240488)、離/電/質(zhì)子耦合傳輸與分子電轉(zhuǎn)化(Nat Commun 2023, 14, 3800; Nat Commun 2024, 15, 1889; Angew Chem Int Ed 2024, e202319247)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。此次提出的“定量骨架電荷工程”策略，通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合，揭示了帶電通道骨架與陰-陽(yáng)離子的靜電相互作用機(jī)制，不僅深化了離子限域傳輸控制的理解，也為高性能滲透能膜材料設(shè)計(jì)提供了支持。(圖/文：鄭雙)
