清洁能源系统的发展：离子选择性膜的关键作用

来自 实验室仪器网

这项研究发表在《今日材料》上，详细介绍了这些膜如何显着提高能源效率和运行稳定性。它们在孔径和表面化学方面都经过精确设计，可以为燃料电池、渗透发电机和光驱动转换器等技术做出重大贡献。

什么是离子选择性膜？

离子选择性膜允许某些离子通过，同时阻断其他离子，这是许多能源系统中的关键功能。在处理类似大小和电荷的离子（例如氢、钠、钾和氯化物）时，实现这种控制水平尤其棘手。

尽管生物离子通道具有非凡的选择性，但其不稳定性和有限的可扩展性限制了其工业用途。为了解决这个问题，研究人员正在创造合成替代品，包括亚纳米通道和人造纳米通道，这些替代品可以进行微调以复制或超越自然性能。

这些工程膜已经用于渗透能发电等应用，它们跨盐度梯度分离Na和Cl等离子以发电。在液流电池中，它们允许H和SO等电荷载流子移动+-+42-，同时阻断氧化还原活性物质，例如钒离子和多硫化物，否则可能会降低性能。

该研究根据这些膜的结构构型对这些膜进行分类：一维、二维和三维纳米结构。

一维膜是利用电子束蚀刻或对二硫化钼等材料进行电化学反应而产生的，从而产生直径为0.6至25纳米的纳米孔。

二维膜由氧化石墨烯和MXene等堆叠纳米片组成，具有0.2至2纳米之间可调节的层间距，通常通过真空过滤或逐层组装形成。

同时，三维多孔膜是使用固有微孔率聚合物、金属有机骨架和共价有机骨架开发的，通常通过溶液浇注或界面聚合。

表面化学在离子选择性中起着重要作用。带负电的膜有利于带正电的离子的传输，而带正电的膜则相反。最终性能取决于孔径、表面电荷和环境条件之间的仔细平衡。

首先是电荷选择性。在这种情况下，带负电的通道会吸引带正电的反离子。例如，基于碳化钛的MXene膜表现出强大的阳离子传输能力，当暴露于氯化钾梯度时，功率密度可达每平方米21瓦。

第二种机制是单价/二价选择性。这是由离子大小和水合能的差异决定的。层间距低于7Å的氧化石墨烯膜可有效阻断镁等二价离子，同时允许钾等较小的单价离子通过。记录的选择性比率高达103。

第三种机制是单离子选择性。这是使用超密闭通道和特定的离子结合位点来实现的。例如，UiO-66-（COOH）2用冠醚功能化的膜实现了高达360的钠钾选择性比。同样，具有0.2纳米通道的蛭石纳米片更喜欢钠离子而不是锰等较重的离子，使其成为从工业废水中收集渗透能的理想选择。

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