文獻(xiàn)快訊：Adv. Mater. 二維階梯異質(zhì)結(jié)膜實(shí)現(xiàn)高效光增強(qiáng)滲透能轉(zhuǎn)換

【成果掠影 & 研究背景】

面對全球可持續(xù)能源與資源回收的迫切需求，從海水與淡水的鹽度差中獲取的“藍(lán)色”滲透能，被視為一種富有前景的可再生能源。然而，將納米流體系統(tǒng)擴(kuò)大至實(shí)用尺寸以產(chǎn)生足夠功率時，嚴(yán)重的濃度極化和電勢降會導(dǎo)致離子選擇性與通量急劇下降，成為商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸。

為此，研究團(tuán)隊(duì)在《Advanced Materials》上報道了一種新型光響應(yīng)階梯異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米流體膜。該材料通過整合氧化石墨烯納米層與嵌入二硫化鉬的硫化鎘納米纖維異質(zhì)結(jié)，構(gòu)建了由原子級I型異質(zhì)結(jié)和肖特基結(jié)組成的連續(xù)、超快電子-離子耦合傳輸通道。異質(zhì)界面產(chǎn)生的納米級局部不對稱電場，有效抑制了濃度極化并抵消了電勢降。在大面積（28 mm2）下，該膜實(shí)現(xiàn)了高達(dá)49.5%的能量轉(zhuǎn)換效率（接近50%的理論極限），并表現(xiàn)出332.3的卓越鈉/氯離子選擇性。基于此的滲透能電池在模擬太陽光照射下，可將電能有效儲存于電容器與鋅離子電池中，其容量相比無光照條件提升68.8%。更引人注目的是，該系統(tǒng)能產(chǎn)生高達(dá)467.6 μA的離子電流，用于從溶液中近乎100%純度的高選擇性電化學(xué)回收金及其他貴金屬，為綠色冶金提供了新思路。

【創(chuàng)新點(diǎn) & 圖文摘要】

創(chuàng)新點(diǎn)：

• 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新：成功構(gòu)建了集I型半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)（CdS/MoS?）與肖特基結(jié)（MoS?-CdS/GO）于一體的階梯異質(zhì)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了光照下沿CdS→MoS?→GO路徑的定向、連續(xù)電子傳輸，為耦合電子-離子傳輸提供了新范式。

• 性能突破性提升：在高達(dá)28 mm2的大面積膜上，實(shí)現(xiàn)了49.5%的創(chuàng)紀(jì)錄能量轉(zhuǎn)換效率與332.3的離子選擇性，顯著克服了傳統(tǒng)納米流體放大過程中性能驟降的難題。

• 光增強(qiáng)能量轉(zhuǎn)換與資源回收一體化：首次將光增強(qiáng)滲透能發(fā)電與高附加值金屬離子（如Au、Ag、Pt）的電化學(xué)回收直接耦合，利用產(chǎn)生的離子電流實(shí)現(xiàn)了近乎100%純度的金回收，且光照下回收效率提升1.33倍。

• 機(jī)理深入闡釋：通過原位XPS、光電測試及Poisson-Nernst-Planck方程模擬，從實(shí)驗(yàn)與理論層面揭示了異質(zhì)結(jié)界面光生電荷分離產(chǎn)生局部電場、從而增強(qiáng)離子選擇性與通量的“光電-離子”轉(zhuǎn)換機(jī)制。

• 系統(tǒng)集成與實(shí)用化演示：通過串聯(lián)/并聯(lián)集成電池單元，靈活調(diào)控輸出電壓與電流，成功驅(qū)動LED陣列、計(jì)時器等多種電子設(shè)備，并演示了將滲透能存儲于商業(yè)鋅離子電池的完整循環(huán)，展示了其作為可持續(xù)電源的實(shí)用潛力。

• 優(yōu)異的穩(wěn)定性與普適性：膜材料在30天內(nèi)保持結(jié)構(gòu)和功率輸出穩(wěn)定，并在寬pH范圍（3-10）及不同鹽溶液（NaCl、KCl）中均表現(xiàn)出高性能，展現(xiàn)了良好的環(huán)境適應(yīng)性。

Figure 1: CHS-NFs的制備與結(jié)構(gòu)表征。

Figure 2: CHS-NFs的光電-離子轉(zhuǎn)換行為。

Figure 3: CHS-NFs的光增強(qiáng)滲透能轉(zhuǎn)換性能。

Figure 4: 光增強(qiáng)滲透能轉(zhuǎn)換的機(jī)制分析。

Figure 5: 面向金屬離子回收的光增強(qiáng)滲透能轉(zhuǎn)換應(yīng)用。

【總結(jié) & 原文鏈接】

本研究成功開發(fā)了一種具有階梯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光響應(yīng)納米流體膜，通過精心設(shè)計(jì)的異質(zhì)結(jié)界面工程，產(chǎn)生了能抑制濃度極化與電勢降的納米級局部不對稱電場，從而在大面積下同時實(shí)現(xiàn)了接近理論極限的能量轉(zhuǎn)換效率與極高的離子選擇性。這項(xiàng)工作不僅提供了高性能的滲透能收集方案，更通過光增強(qiáng)策略，將可持續(xù)發(fā)電與高純度貴金屬回收創(chuàng)新性地結(jié)合，構(gòu)建了一個“能源-資源”協(xié)同回收的集成系統(tǒng)。該成果為下一代高效、多功能的納米流體能源轉(zhuǎn)換與資源回收技術(shù)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，展示了在碳中和背景下實(shí)現(xiàn)藍(lán)色能源利用與綠色冶金減碳的雙重潛力。

原文鏈接: https://doi.org/10.1002/adma.202519133

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