用于高性能渗透能发电的细菌纤维素基复合膜

哥廷根大学张凯教授团队与东华大学王华平、陈仕艳教授团队通过结合纳米限域并耦合表面电荷和尺寸效应设计了分别带负电荷的细菌纤维素/氧化石墨烯（NBC/NGO）和带正电荷的细菌纤维素/层状双氢氧化物（PBC/PLDH）离子选择膜，并组合成为一对带相反电荷的离子渗透发电机，可实现渗透能的持续输出。

研究人员通过不同的化学修饰来调控纳米纤维的表面电荷密度，得到了高表面电荷密度的NBC（-6.20 mC·m-2）和PBC（+3.76 mC·m-2）。由于纳米片之间的亚纳米尺寸通道，NGO和PLDH通常表现出较高的离子选择性，然而一定程度上牺牲了离子渗透性，实际应用中往往需要在离子渗透性和离子选择性之间折中。因此，该研究构建了不同比例的一维/二维杂化纳米通道，纳米片和纳米纤维之间存在许多用于离子传输的纳米通道和亚纳米通道。

进而，研究人员将具有阳离子选择性的NBC70/NGO30和具有阴离子选择性的PBC70/PLDH30膜进一步集成为三腔室能量收集器件，即BC基复合膜对（BCC-pair）RED装置。由于相反的扩散方向，在海水/河水/海水组合下三腔室器件实现了0.70 W·m-2高输出功率密度，略高于河水/海水/河水组合下的输出功率密度（0.50 W·m-2）。由于良好的化学稳定性和环氧树脂的物理限制，即使在60天后，BCC-pair RED器件仍具有良好的稳定性。

为了探究器件的可扩展性，研究人员扩大单膜测试面积并通过20个带相反电荷的膜单元串联来构建BCCpair的RED堆栈以获得更高的电压。具有20个单元串联的BCC-pair的RED堆栈的开路电压可以达到2.2 V，足以为计算器供电并执行算术运算。综上，该研究提出了一维纳米纤维和二维纳米片的耦合是构建复合膜的有效新策略，并证明了层状膜离子对作为高性能渗透发电机实际应用的可行性。