Adv. Funct. Mater:滲透能量轉換的可控離子傳輸的異質MXene/PS-b-P2VP納米流體膜
一、文章概述
膜基滲透功率采集是一種可持續發電的策略。具有高離子電導率和選擇性的二維納米流體是滲透能轉換的新興候選材料。然而，納米約束下的離子擴散受到均勻的單調電荷調節和嚴重的濃度極化的二維膜的阻礙，這導致了不理想的功率轉換性能。這篇文章報道了一種具有兩層結構的不對稱納米通道膜，其中二維過渡金屬碳化物/氮化物(MXenes)的尺度通道作為控制離子輸運的屏蔽層，嵌段共聚物(BCP)的納米級孔隙是具有有序納米形結構的ph響應陣列。這種高效的滲透能發生器可以推進對基于mxene的異質納米流體器件作為膜基能量轉換技術的范式基本理解。
二、圖文導讀
圖1.MXene/PS-b-P2VP異質滲透發電機的制造示意圖。
在上圖中，a)異質膜的制備。PS290000-b-P2VP72 000 在通過真空輔助過濾獲得的二維MXene膜上進行自旋涂層。b)基于MXene/PS-b-P2VP異質膜的濃度梯度下的滲透能轉換示意圖。PS-b-P2VP相對pH敏感；因此，在不同的pH值下可以調節孔徑和電荷特性，從而調節非均勻納米通道的離子傳輸和滲透發電能力。
圖2.材料的結構表征圖。
上圖中，a)已制備的PS-b-P2VP膜在MXene膜上的掃描電鏡圖像。b)PS-b-P2VP膜表面在一系列pH值下的接觸角。c)PS-b-P2VP膜浸沒在0.01m氯化鈉水溶液中的液相AFM圖像，pH值從3.0調節到11.0。不同的孔徑與吡啶基團(pKa≈5.2)在P2VP鏈上的質子化和脫質子化有關。當pH超過5.2時，孔隙徑急劇上升到≈60nm。d)MXene/PS-b-P2VP異質膜的橫斷面掃描電鏡圖像。e)層狀MXene薄膜的橫截面圖像。f)不同pH值下完全水合MXene膜的XRD光譜。
圖3.MXene/PS-b-P2VP異質膜的表面電荷控制的離子跨膜性質。
圖4.滲透發電原理示意圖。
上圖中，a)自制的收集滲透能并提供外部負荷電阻的實驗裝置示意圖。在pH為11處，兩種正向和反向擴散兩種構型下50倍梯度的I-V曲線。在MXene側有高濃度的氯化鈉溶液（紅色曲線）下，Isc的絕對值為15.5μA。在pH11處的氯化鉀鹽度梯度下，異質膜的校準擴散電位(Ediff=VOC−Eredox)和跨膜離子轉移數(t+)。d)輸出功率密度和電流密度作為50倍濃度梯度下負載電阻的函數。在負載電阻為≈5.5kΩ時，輸出功率密度達到6.74Wm−2。e)膜在滲透能轉化過程中的穩定性能。
三、全文總結
綜上所述，通過在異質結構上部的ph響應BCP層，制備了一種基于mxene的異質納米流體器件。由于具有不對稱納米通道、化學成分和可調表面電荷密度的異質結，在模擬海洋/河流水系統中實現了高達6.74Wm−2的功率密度。這種不對稱的異質結構由于在寬pH范圍內的不對稱電荷和尺寸分布，損害了均勻mxene結構所束縛的濃度極化。此外，在高pH值下，異質膜的跨膜離子通量和選擇性也有所提高。這項工作可能為在廣泛的pH范圍內的高效滲透發電創造機會，特別是為在極端pH值下的工業廢水的滲透能轉換創造了可能性
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https://doi.org/10.1002/adfm.202105013
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