聚合物膜可以从河口的盐梯度中挖掘巨大的“蓝色能量”储备

随着一种新型离子交换膜的开发，商业上的“蓝色能源”又向前迈进了一步，这种膜可以极大地提高从河流入海口的盐浓度梯度中产生能量的效率。这种膜克服了阻碍这种可再生资源开发的性能僵局，使用自组装聚合物创建有序的纳米结构用于离子过滤。

蓝色能源，也被称为渗透动力，存在于盐浓度不同的地方，是一种未开发的可持续能源。在20世纪70年代，据估计1.4到2.6太瓦的电量——接近当时世界上全部的电力需求——如果收集这些能源，就可以产生。从那时起，反向电渗析细胞已经被开发出来，它通过细胞中交替的阴离子和阳离子选择膜层选择性地运输离子，将这种势能转化为电能。

“有两种方法可以帮助你快速产生大量能量，”解释道奥兰多Coronell他是美国北卡罗来纳大学教堂山分校的膜研究人员。“细胞膜应该有很多传输通道，离子应该能够快速通过这些通道，而不是缓慢通过，这被称为导电性。”只有阴离子，而不是阳离子，可以通过阴离子选择性膜，这叫做透选择性。“然而，要平衡这些特性是很困难的:增加膜的电荷会增加导电性，同时也会使聚合物吸收水分，导致孔隙膨胀，离子选择性下降。”

研究人员由Longcheng高中国北京航空航天大学的研究人员正在研究这种权衡，并制备了一种标准的共聚物膜，使用少量的带电分子卟啉引发一系列反应。但是，尽管研究小组预计会加入少量卟啉引发剂，但他们对所得材料的不同寻常的微观结构感到惊讶。“卟啉应该是随机分布在聚合物基质中，”高解释道。“但出人意料的是，它形成了跨膜螺旋通道。“卟啉分子的有组织排列源于π叠加，即附近π键之间的弱吸引相互作用。

与离子通过开放通道扩散的传统膜不同，这些跨膜卟啉螺旋通过协调机制运输阴离子，本质上是通过膜将离子从一个分子传递到另一个分子。卟啉对氯离子的强亲和力提高了膜的导电性，而低卟啉含量阻止了过量水的吸收，从而降低了透选择性。这种安排导致膜的功率密度前所未有地增加了四倍，极大地提高了反向电渗析的效率。高解释说:“我们发现离子交换基团的组织方式比它们的高含量(或浓度)更重要。”“由此产生的微结构克服了这种权衡。”

“我认为这是一个有趣而重要的方法，”Coronell评论道。“但未来的研究有两个重要的需求:一是研究现实生活中水的成分，看看它们是如何影响膜的性能的;第二，膜需要放大。”

中国团队已经在应对这些挑战，并继续开发用于反向电渗析应用的阴离子和阳离子选择膜。“海水淡化、水净化、燃料电池。所有这些过程都面临着同样的瓶颈:选择性-导电性的权衡。“我们希望我们的策略将有助于在更广泛的领域设计新一代离子交换膜。”