滲透能，是一種蘊藏于具有兩種不同濃度的流體系統(tǒng)中的可再生、可持續(xù)的能源。常見的海洋/河水、鹽湖/淡水和工業(yè)廢水體系之間的濃度差蘊藏著巨大的滲透能。工業(yè)廢水，特別是具有質子濃度差的酸性廢水中也同樣蘊含著巨大的滲透能。利用綠色和可持續(xù)的方法捕獲酸性廢水中的滲透能，有望緩解對全球能源需求的不斷增長和環(huán)境問題的日益嚴重。

但是，從酸性廢水中捕獲滲透能需要膜材料具有極強的化學/機械穩(wěn)定性、較高的質子電導率和低成本。商業(yè)Nafion膜由于其較強的抗化學侵蝕性，良好的質子導電性與吸水率，且具備高度的相分離形態(tài)等特性，被廣泛應用于燃料電池領域。商業(yè)Nafion膜的獨特的骨架結構和帶負電荷的親水納米通道使其具有高質子電導率、高的化學/機械穩(wěn)定性和低成本等優(yōu)點。這使其能夠在高溫和酸性環(huán)境下保持其質子傳導性能，成為利用酸性廢水發(fā)電的理想選擇。從實用的角度來看，商業(yè)化的Nafion膜具有優(yōu)勢，因為新型膜的開發(fā)通常涉及高的材料成本以及復雜的制備步驟。

中國地質大學（武漢）夏帆/張孝進教授團隊發(fā)現(xiàn)，當Nafion膜用于質子梯度形式的滲透能收集時，Nafion膜在0.2mm2的測試面積下可以產生5.1 W/m2的輸出功率密度，達到商業(yè)化標準。即使在測試面積為12.5 mm2時，在強酸條件下，也可以產生2.1 W/m2的高輸出功率密度。除了質子梯度能外，被稱為低品位熱的工業(yè)廢熱在與滲透能相結合時顯示出巨大的潛力。隨著電解質溶液溫度的升高，質子梯度能量的轉換效率提高，在測試面積為0.2 mm2的情況下，在333 K時的功率密度為8.1 W/m2(在293 K時為5.1 W/m2)。證明了低成本商業(yè)Nation膜的潛在應用。該研究以“Commercial Nafion Membranes for Harvesting Osmotic Energy from Proton Gradients that exceed the Commercial Goal of 5.0 W/m2”為標題發(fā)表在《ACS Nano》上，侯琴（中國地質大學一年級博士研究生）為論文第一作者。

圖1 用于從質子梯度中獲取滲透能的Nafion膜

該項研究中，研究者們證明了商業(yè)化的Nafion膜可以從質子梯度中獲取滲透能（圖1a）。Nafion膜納米通道中帶負電荷的磺酸部分可以有效地屏蔽陰離子，并通過Grotthuss機制和vehicular機制加速質子的選擇性傳輸（圖1b）。親水性納米通道隨著水含量的增加而膨脹，通道相互連接以確保質子的傳輸。對通道（圖1c）和低濃度(cL)出口處（圖1d）的質子濃度進行了數(shù)值模擬。結果表明，Nafion膜親水納米通道具有足夠的連通性（圖1e）和優(yōu)異的質子傳輸性能（圖1f）。

圖2 Nafion膜的離子傳輸特性

離子通過Nafion膜的傳輸受表面電荷的控制。由于親水納米通道表面的磺酸基團對陽離子的親和力的不同，不同陽離子在Nafion膜內的傳輸速率不同。

圖3 Nafion膜的滲透能量收集

酸的化學性質和離子的水化直徑對滲透能收集有一定影響，HCl溶液的電流密度和輸出功率密度最高。另外，Nafion膜在長時間的鹽酸溶液浸泡下，沒有降解和損壞，并在發(fā)電性能方面具有高穩(wěn)定性。

圖4 Nafion膜在大規(guī)模面積下發(fā)電

研究者們研究了0.03 mm2、0.2 mm2和12.5 mm2典型測試面積下的發(fā)電性能，并與其他的質子梯度發(fā)電研究進行比較，Nafion膜的功率密度可與最先進的膜媲美?？紤]到實際廢水酸度較高，在12.5 mm2高測試面積條件和低pH (cH = 5 M, cL = 1 M)下進行質子梯度能量收集，最大輸出功率密度為2.13 W/m2。

圖5熱增強滲透發(fā)電

耦合工業(yè)廢熱將促進滲透能的收集。溫度升高導致溶液粘度降低，質子遷移率增加，提高了質子轉移數(shù)和能量轉換效率。在0.2 mm2的測試面積下，功率密度在333 K下增加到8.1 W/m2，表明了Nafion膜的熱穩(wěn)定性和應用潛力。

小結：研究者們證明Nafion膜可以用于收集工業(yè)酸性廢水中的滲透能，在0.2 mm2的測試面積下，可以獲得5.1 W/m2的功率密度，超過了5.0 W/m2的商業(yè)目標。在333 K下，功率密度可達到8.1 W/m2。即使在12.5 mm2的大測試面積下，Nafion膜可以達到2.1 W/m2的輸出功率密度。以往的研究主要集中在設計超薄膜和納米流體膜，以提高離子的選擇性和滲透性，從而提高輸出功率密度。然而，無法同時兼顧膜的化學/機械穩(wěn)定性，使它們無法在惡劣環(huán)境中應用，特別是在酸性廢水中。這項研究表明，通過將膜與離子選擇性相匹配，收集鹽度梯度能量之外的滲透能源為大規(guī)模轉化滲透能提供了另外一種思路。

封面來源于圖蟲創(chuàng)意