高军&刘鹏&刘学丽Angew.：MOFs膜实现纳米流体渗透发电！

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研究内容

纳米流体膜在获取渗透能方面表现出了巨大的潜力，但由于大多数研究仅在约10^-2 mm²或更小的膜面积下进行测试，因此其可扩展性仍然具有挑战性。最近，金属有机框架（MOFs）膜被提出用于各种纳米流体应用，显示出一系列独特的优点。它们具有明确的晶体结构。孔径降至纳米以下。此外，分子、颗粒或聚合物可以容易地封装在许多MOFs材料中，以设计其功能，包括电荷选择性。

基于此，中国科学院青岛生物能源与过程研究所高军、山东大学刘鹏副教授和青岛大学刘学丽副教授证明有亚纳米级孔隙的金属有机框架（MOFs）膜可用于从高盐水源产生可扩展的渗透能。MOFs膜可以放大到几mm²，功率密度可以稳定在1.7 W/m2。相关工作以“Toward Scalable Nanofluidic Osmotic Power Generation from Hypersaline Water Sources with a Metal-Organic Framework Membrane”为题发表在国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition上。

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研究要点

要点1. 作者将具有密集带负电荷的-SO3-基团的聚（聚苯乙烯磺酸钠）封装到孔径为0.9 nm的结晶MOFs HKUST-1中。通过这种封装，复合材料既具有窄的孔径以在高盐环境中产生渗透功率，又具有负的表面电荷以实现高功率密度。

要点2. 当测试的MOFs膜面积与大多数先前研究中的膜面积相当（3×10-2 mm2）时，复合膜在高盐环境中产生了45.6 W/m2的高功率密度。将面积增加两个数量级以上，达到约7 mm2时，功率密度仍稳定在约1.7 W/m2的相对较高值。这是迄今为止报道的宏观纳米流体膜的最高值。

要点3. 作者发现，关键是提高膜外电导，同时保持膜的电荷选择性，这与之前认为膜的离子电导率起主导作用的观点相矛盾。亚纳米级孔隙对于确保高盐水源中的电荷选择性至关重要。

该研究表明设计膜内和膜外离子传输财产之间的相互作用对于可扩展渗透发电具有重要意义。

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研究图文

图1. 膜的制造和表征。

图2. 高盐水源的渗透发电。

图3. 发电的可扩展性。

图4. 亚纳米级孔隙和高盐水源的协同效应，用于可扩展渗透发电。

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文献详情

Toward Scalable Nanofluidic Osmotic Power Generation from Hypersaline Water Sources with a Metal-Organic Framework Membrane

Shangfa Pan, Peng Liu,* Qi Li, Bin Zhu, Xueli Liu,* Junchao Lao, Jun Gao,* Lei Jiang

Angew. Chem. Int. Ed.

DOI:10.1002/anie.202218129