近日，國(guó)家納米科學(xué)中心研究員唐智勇和李連山(第8批會(huì)員)團(tuán)隊(duì)在單分子層COF膜用于鹽差能轉(zhuǎn)化領(lǐng)域的研究取得重要進(jìn)展。相關(guān)研究成果以Advancing osmotic power generation by covalent organic framework monolayer為題于2022年4月25日在線發(fā)表在《自然•納米技術(shù)》（Nature Nanotechnology）雜志 (Nat. Nanotechnol. 2022, DOI: 10.1038/s41565-022-01110-7)。
Nature Nanotechnology同期以Harnessing blue energy with COF membranes為題對(duì)本工作發(fā)表觀點(diǎn)評(píng)述文章（Nat. Nanotechnol. 2022, https://doi.org/10.1038/s41565-022-01118-z）。 滲透能也被稱作鹽差能，是通過(guò)混合海水和河水獲得的重要清潔能源。鹽差能轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵是能夠?qū)崿F(xiàn)正負(fù)離子選擇性和低阻力傳輸?shù)倪x擇性透過(guò)膜，即當(dāng)正負(fù)離子在濃度梯度驅(qū)動(dòng)下以不同的速度通過(guò)離子選擇性膜時(shí)，將會(huì)在高濃度側(cè)和低濃度側(cè)之間產(chǎn)生電勢(shì)差，從而在外電路產(chǎn)生電流。傳統(tǒng)的聚合物離子交換膜通常能夠?qū)崿F(xiàn)正負(fù)離子的高選擇性傳輸，但是其高膜電阻使得離子通過(guò)速度和電流密度低，從而導(dǎo)致能量輸出功率密度很難超過(guò)商業(yè)化應(yīng)用的5 Wm-2的最低標(biāo)準(zhǔn)。因此，在保持正負(fù)離子選擇性的基礎(chǔ)上提高膜電導(dǎo)及離子傳輸速率是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。 二維材料的超薄厚度導(dǎo)致的低膜電阻使其成為解決這一問(wèn)題的理想材料。例如，在硫化鉬單層上的單個(gè)納米孔展現(xiàn)了超高的輸出功率密度，然而傳統(tǒng)單分子層膜，如單層硫化鉬和石墨烯等，在降低膜電阻的同時(shí)存在兩個(gè)致命缺陷：第一，通過(guò)自上而下的物理打孔方式難以構(gòu)筑高密度和尺寸均勻的納米孔；第二，低膜電阻導(dǎo)致的濃差極化現(xiàn)象使得單納米孔的性能難以線性外推到多孔體系，即當(dāng)孔密度非常高時(shí)，會(huì)使得膜兩側(cè)難以保持有效的濃度差，從而引起電流和電壓的急劇下降，這一現(xiàn)象導(dǎo)致的單孔到多孔體系的性能衰減使得人們一度質(zhì)疑鹽差能轉(zhuǎn)化的可行性。 為解決這一難題，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)預(yù)組裝界面聚合反應(yīng)，構(gòu)筑了大面積的共價(jià)有機(jī)框架（COF）單分子層薄膜，在降低膜電阻的同時(shí)通過(guò)低孔間距導(dǎo)致的孔-孔耦合效應(yīng)有效抑制濃差極化引起的電壓和電流的下降。一方面，COF材料固有的高孔密度和單分子層的厚度使得膜傳質(zhì)阻力低至極限，從而極大的提高了膜電導(dǎo)和電流密度；另一方面，這一獨(dú)特體系的高孔密度和低孔間距引起的新穎的孔-孔耦合效應(yīng)是解決濃差極化引起的性能衰減的關(guān)鍵，即COF膜中的荷電納米孔會(huì)對(duì)臨近納米孔產(chǎn)生影響，從而極大地抗衡濃差極化引起的電流和電壓的下降。這一材料設(shè)計(jì)將鹽差能轉(zhuǎn)化的輸出功率密度提高至創(chuàng)紀(jì)錄的135 Wm-2。進(jìn)一步，通過(guò)調(diào)控COF框架中卟啉分子的金屬中心，可以實(shí)現(xiàn)真實(shí)海水/河水鹽差梯度下高于300 Wm-2的輸出功率密度。理論模擬研究發(fā)現(xiàn)，孔-孔耦合效應(yīng)在孔間距低至4.5納米時(shí)才會(huì)發(fā)生，成為高孔密度、低孔間距COF膜材料的獨(dú)特特征，為新型鹽差能轉(zhuǎn)化材料的計(jì)提供了全新的理論支撐。 國(guó)家納米科學(xué)中心博士楊金雷、副研究員涂斌為文章的共同第一作者；國(guó)家納米科學(xué)中心唐智勇研究員、李連山研究員（第8批會(huì)員）為共同通訊作者。感謝國(guó)家納米科學(xué)中心裘曉輝和方巧君團(tuán)隊(duì)在材料表征和理論模擬方面的支持。該工作獲得國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院青促會(huì)項(xiàng)目及中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)B類(lèi)等項(xiàng)目的支持。  圖：?jiǎn)畏謱覥OF膜低孔間距的強(qiáng)孔-孔耦合效應(yīng)用于鹽差能轉(zhuǎn)化。（a）單層COF膜的合成及孔結(jié)構(gòu)；（b）單層COF膜的厚度；（c，d）有序孔結(jié)構(gòu)表征；（e）鹽差能轉(zhuǎn)化性能；（f，g）孔-孔耦合效應(yīng)的理論模擬。
論文鏈接： https://www.nature.com/articles/s41565-022-01110-7 同期觀點(diǎn)評(píng)述：https://www.nature.com/articles/s41565-022-01118-z | 
