中国地质大学（武汉）夏帆/张孝进教授团队：商业Nafion膜还有另一用途，从质子浓度梯度实现超过商业标准的渗透能收集

渗透能，是一种蕴藏于具有两种不同浓度的流体系统中的可再生、可持续的能源。常见的海洋/河水、盐湖/淡水和工业废水体系之间的浓度差蕴藏着巨大的渗透能。工业废水，特别是具有质子浓度差的酸性废水中也同样蕴含着巨大的渗透能。利用绿色和可持续的方法捕获酸性废水中的渗透能，有望缓解对全球能源需求的不断增长和环境问题的日益严重。

但是，从酸性废水中捕获渗透能需要膜材料具有极强的化学/机械稳定性、较高的质子电导率和低成本。商业Nafion膜由于其较强的抗化学侵蚀性，良好的质子导电性与吸水率，且具备高度的相分离形态等特性，被广泛应用于燃料电池领域。商业Nafion膜的独特的骨架结构和带负电荷的亲水纳米通道使其具有高质子电导率、高的化学/机械稳定性和低成本等优点。这使其能够在高温和酸性环境下保持其质子传导性能，成为利用酸性废水发电的理想选择。从实用的角度来看，商业化的Nafion膜具有优势，因为新型膜的开发通常涉及高的材料成本以及复杂的制备步骤。

中国地质大学（武汉）夏帆/张孝进教授团队发现，当Nafion膜用于质子梯度形式的渗透能收集时，Nafion膜在0.2mm2的测试面积下可以产生5.1 W/m2的输出功率密度，达到商业化标准。即使在测试面积为12.5 mm2时，在强酸条件下，也可以产生2.1 W/m2的高输出功率密度。除了质子梯度能外，被称为低品位热的工业废热在与渗透能相结合时显示出巨大的潜力。随着电解质溶液温度的升高，质子梯度能量的转换效率提高，在测试面积为0.2 mm2的情况下，在333 K时的功率密度为8.1 W/m2(在293 K时为5.1 W/m2)。证明了低成本商业Nation膜的潜在应用。该研究以“Commercial Nafion Membranes for Harvesting Osmotic Energy from Proton Gradients that exceed the Commercial Goal of 5.0 W/m2”为标题发表在《ACS Nano》上，侯琴（中国地质大学一年级博士研究生）为论文第一作者。

图1 用于从质子梯度中获取渗透能的Nafion膜

该项研究中，研究者们证明了商业化的Nafion膜可以从质子梯度中获取渗透能（图1a）。Nafion膜纳米通道中带负电荷的磺酸部分可以有效地屏蔽阴离子，并通过Grotthuss机制和vehicular机制加速质子的选择性传输（图1b）。亲水性纳米通道随着水含量的增加而膨胀，通道相互连接以确保质子的传输。对通道（图1c）和低浓度(cL)出口处（图1d）的质子浓度进行了数值模拟。结果表明，Nafion膜亲水纳米通道具有足够的连通性（图1e）和优异的质子传输性能（图1f）。

图2 Nafion膜的离子传输特性

离子通过Nafion膜的传输受表面电荷的控制。由于亲水纳米通道表面的磺酸基团对阳离子的亲和力的不同，不同阳离子在Nafion膜内的传输速率不同。

图3 Nafion膜的渗透能量收集

酸的化学性质和离子的水化直径对渗透能收集有一定影响，HCl溶液的电流密度和输出功率密度最高。另外，Nafion膜在长时间的盐酸溶液浸泡下，没有降解和损坏，并在发电性能方面具有高稳定性。

图4 Nafion膜在大规模面积下发电

研究者们研究了0.03 mm2、0.2 mm2和12.5 mm2典型测试面积下的发电性能，并与其他的质子梯度发电研究进行比较，Nafion膜的功率密度可与最先进的膜媲美。考虑到实际废水酸度较高，在12.5 mm2高测试面积条件和低pH (cH = 5 M, cL = 1 M)下进行质子梯度能量收集，最大输出功率密度为2.13 W/m2。

图5热增强渗透发电

耦合工业废热将促进渗透能的收集。温度升高导致溶液粘度降低，质子迁移率增加，提高了质子转移数和能量转换效率。在0.2 mm2的测试面积下，功率密度在333 K下增加到8.1 W/m2，表明了Nafion膜的热稳定性和应用潜力。

小结：研究者们证明Nafion膜可以用于收集工业酸性废水中的渗透能，在0.2 mm2的测试面积下，可以获得5.1 W/m2的功率密度，超过了5.0 W/m2的商业目标。在333 K下，功率密度可达到8.1 W/m2。即使在12.5 mm2的大测试面积下，Nafion膜可以达到2.1 W/m2的输出功率密度。以往的研究主要集中在设计超薄膜和纳米流体膜，以提高离子的选择性和渗透性，从而提高输出功率密度。然而，无法同时兼顾膜的化学/机械稳定性，使它们无法在恶劣环境中应用，特别是在酸性废水中。这项研究表明，通过将膜与离子选择性相匹配，收集盐度梯度能量之外的渗透能源为大规模转化渗透能提供了另外一种思路。

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