用于高性能滲透能發電的細菌纖維素基復合膜

哥廷根大學張凱教授團隊與東華大學王華平、陳仕艷教授團隊通過結合納米限域并耦合表面電荷和尺寸效應設計了分別帶負電荷的細菌纖維素/氧化石墨烯（NBC/NGO）和帶正電荷的細菌纖維素/層狀雙氫氧化物（PBC/PLDH）離子選擇膜，并組合成為一對帶相反電荷的離子滲透發電機，可實現滲透能的持續輸出。

研究人員通過不同的化學修飾來調控納米纖維的表面電荷密度，得到了高表面電荷密度的NBC（-6.20 mC·m-2）和PBC（+3.76 mC·m-2）。由于納米片之間的亞納米尺寸通道，NGO和PLDH通常表現出較高的離子選擇性，然而一定程度上犧牲了離子滲透性，實際應用中往往需要在離子滲透性和離子選擇性之間折中。因此，該研究構建了不同比例的一維/二維雜化納米通道，納米片和納米纖維之間存在許多用于離子傳輸的納米通道和亞納米通道。

進而，研究人員將具有陽離子選擇性的NBC70/NGO30和具有陰離子選擇性的PBC70/PLDH30膜進一步集成為三腔室能量收集器件，即BC基復合膜對（BCC-pair）RED裝置。由于相反的擴散方向，在海水/河水/海水組合下三腔室器件實現了0.70 W·m-2高輸出功率密度，略高于河水/海水/河水組合下的輸出功率密度（0.50 W·m-2）。由于良好的化學穩定性和環氧樹脂的物理限制，即使在60天后，BCC-pair RED器件仍具有良好的穩定性。

為了探究器件的可擴展性，研究人員擴大單膜測試面積并通過20個帶相反電荷的膜單元串聯來構建BCCpair的RED堆棧以獲得更高的電壓。具有20個單元串聯的BCC-pair的RED堆棧的開路電壓可以達到2.2 V，足以為計算器供電并執行算術運算。綜上，該研究提出了一維納米纖維和二維納米片的耦合是構建復合膜的有效新策略，并證明了層狀膜離子對作為高性能滲透發電機實際應用的可行性。