近日，我院在《能源與環(huán)境科學(xué)》（Energy ＆ Environment Science，2022年影響因子：39.714）上發(fā)表題為《光電/熱協(xié)同仿生光驅(qū)動離子傳輸與高效太陽能轉(zhuǎn)換》（Efficient Solar Energy Conversion via Bionic Sunlight-driven lon Transport Boosted by Synergistic Photo-electric/thermal Effects）的最新研究。

論文第一作者為環(huán)境與市政工程學(xué)院王琎教授，環(huán)境與市政工程學(xué)院王磊教授、王琎教授、張宇飛副教授為共同通訊作者，西安交通大學(xué)黃博副教授為研究工作提供了重要支持，碩士研究生王迪、宋澤源、蔣娜等參與了此項工作。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)等基金的資助。此外，陜西省膜分離技術(shù)重點實驗室，陜西省環(huán)境工程重點實驗室也為研究開展給予了大量支持。

針對化石能源等傳統(tǒng)能源帶來的環(huán)境、資源等問題，我國已明確提出“碳達峰”“碳中和”戰(zhàn)略目標，以實現(xiàn)資源高效利用和綠色低碳發(fā)展的基礎(chǔ)之上推動經(jīng)濟社會發(fā)展。鹽差能是一種蘊藏于海水、鹵水及高鹽廢水之中藍色清潔能源，由于其豐富的存儲量、可再生性等特點，受到了研究者的廣泛關(guān)注。生物細胞膜中的高效離子傳輸功能為提升鹽差能的回收效率提供了新的靈感。特別是生物離子通道在包括pH、溫度和光等外界刺激的智能響應(yīng)性離子傳輸，引起了研究者的廣泛興趣。其中，陽光由于其自然存在范圍廣，以及在照射位置、強度及方向上的獨特靈活性，被認為是一種重要離子傳輸驅(qū)動力，以用于離子傳輸過程的精準調(diào)控。盡管目前研究者已經(jīng)初步證明了利用光照對離子傳輸行為的調(diào)控的可能性，然而，實現(xiàn)與在自然陽光下生物通道內(nèi)快速、高效的選擇性離子傳輸，進而強化鹽差能轉(zhuǎn)化效率仍是一項極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

光響應(yīng)異質(zhì)性二維Ti₃C₂T_x-g-C₃N₄/CTS（TCC）納米通道膜的制備流程示意圖

該研究通過構(gòu)建二維異質(zhì)Ti₃C₂T_x-g-C₃N₄/chitosan（TCC）納米通道，實現(xiàn)光電/光熱效應(yīng)的耦合，進而達到高效的光響應(yīng)離子輸運功能?；隈詈喜此?內(nèi)爾斯特-普朗克理論、愛因斯坦-斯托克斯理論的數(shù)值模擬以及密度泛函理論（DFT）計算等對光響應(yīng)離子輸運的機制的分析指出，在陽光的照射下，得益于通道構(gòu)筑單元的能帶結(jié)構(gòu)，光激發(fā)載流子在TCC異質(zhì)通道中被有效分離，所形成的內(nèi)建電場有效的促進了納米通道中離子的選擇性傳輸；同時，由于Ti₃C₂T_x單元的光熱轉(zhuǎn)換特性，在納米通道同步形成溫度場。在光電/熱協(xié)同效應(yīng)的影響下，離子在受限納米通道內(nèi)出現(xiàn)了快速、主動的響應(yīng)傳輸。在應(yīng)用方面，作者開展了利用TCC異質(zhì)膜獨特的光響應(yīng)離子傳輸效應(yīng)提升鹽差能回收效率的研究。在模擬海水/河水體系下，異質(zhì)膜最大輸出功率為0.95 Wm?2，是無光照時輸出功率的兩倍，在此基礎(chǔ)上，作者進一步探討了利用光熱/電耦合效應(yīng)，在無濃度差體系下實現(xiàn)離子能向電能的轉(zhuǎn)化的可能性。在無濃度差體系中對g-C₃N₄/CTS膜側(cè)進行光照明，也可為外部載荷提供21.93 mWm?2的功率密度。此外，在光照驅(qū)動下，離子也可實現(xiàn)從低濃度向高濃度的逆濃度傳輸。最后，作者也通過實際的戶外實驗證明了自然陽光條件下可直接用于驅(qū)動離子在TCC異質(zhì)納米通道膜內(nèi)的傳輸。

在本研究工作中，作者證明了光熱/電耦合效應(yīng)是實現(xiàn)納米通道內(nèi)高效光響應(yīng)離子傳輸?shù)囊环N有效方法，此外，在離子能回收方面應(yīng)用的探討，確認了光驅(qū)動離子傳輸不僅可提高傳統(tǒng)鹽度梯度系統(tǒng)中回收離子滲透能的效率，而且在無鹽度差條件下，也可實現(xiàn)離子能的有效回收，實現(xiàn)光能-離子能-電能的轉(zhuǎn)化，這些特征為海水、鹽湖鹵水和工業(yè)高鹽廢水等提供了可持續(xù)利用提供了新的啟示，對環(huán)境、能源與資源領(lǐng)域等多個領(lǐng)域均具有重要意義。

TCC異質(zhì)納米通道膜的光響應(yīng)離子傳輸行為

《能源與環(huán)境科學(xué)》（Energy ＆ Environment Science）是由英國皇家化學(xué)學(xué)會（Royal Society of Chemistry）出版的國際知名學(xué)術(shù)期刊。該期刊創(chuàng)刊于2008年，旨在發(fā)布高質(zhì)量、創(chuàng)新性的學(xué)術(shù)前沿和跨學(xué)科研究成果，涵蓋了環(huán)境科學(xué)與能源領(lǐng)域，包括環(huán)境污染與減排，可持續(xù)發(fā)展以及能源轉(zhuǎn)換、儲存、分配和利用等的各個方面，被認為是環(huán)境、能源領(lǐng)域頂尖研究成果的重要來源。