新型通透膜可大幅提高整流率和能量收集
2016-01-21 來源：中國聚合物網(wǎng)
關(guān)鍵詞：能量轉(zhuǎn)換 通透膜
“濃度極化”問題的存在，限制了傳統(tǒng)反向電滲析膜的性能和應(yīng)用。科學(xué)家研制出一種新型多相不對稱膜，很好地解決了該問題，從而大幅提高膜的整流率和能量收集，其未來應(yīng)用前景非常廣闊。
據(jù)Phys.org報道，研究人員已經(jīng)構(gòu)建了一種新型納米多孔膜，這種膜選擇性控制離子通過的表現(xiàn)非常突出，例如若允許負離子通過，那么正離子的通過將會受到阻隔。為了闡明這種膜的一項可能的應(yīng)用，研究人員把膜制成能量轉(zhuǎn)換裝置，這種裝置通過分開正負帶電粒子而收集能量。這項技術(shù)與反向電透析非常相似，但是該膜結(jié)構(gòu)克服了一直存在于傳統(tǒng)反向電滲析的一項不足，從而提高了產(chǎn)能。
中科院的科學(xué)家張震（音）和聞利平以及他們的合著人在近期出版的《美國化學(xué)協(xié)會期刊》上發(fā)表了關(guān)于這種新型膜的文章。
研究人員將這種新型膜稱為“工程改造的多相不對稱膜”。“工程改造”指的是，將使用在活體器官上的易碎性細胞膜進行改性，使其變得牢固耐用；“不對稱”是因為該膜兩側(cè)對離子的篩選有所不同；“多相”是因為膜兩側(cè)是由不同的材料組成，這里研究人員使用了兩種高分子材料：嵌段共聚物（BCP）和聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）。雖然并不是所有不對稱膜都是多相的，但是相比于使用單一材料制造的不對稱膜，多相膜擁有一些絕對的優(yōu)勢，比如易于制造以及擁有極強的多功能性。
這種新型膜最大的特點就是，它能在一個方向增強離子的通過而在相反的方向上阻止其通過。因此，在離子的通透方向上能產(chǎn)生非常大的電流，而反方向上基本上沒有電流流過膜，這被稱為“離子電流整流”。這種新型膜的整流率大約為1075，這比迄今為止報道過的最高整流率高出一倍多。整流率表明了電荷流的非對稱性，這是由新型膜的不對稱（包括化學(xué)不對稱、幾何不對稱和電荷不對稱）引起的，使得新型膜在多種應(yīng)用領(lǐng)域都有極大的吸引力。
聞利平告訴Phys.org，“在控制電子傳輸方面，新型膜的表現(xiàn)與半導(dǎo)體二極管的機理非常相似，同時新型膜的性能表明它有定向傳輸特定種類的分子或離子以及控制它們通過數(shù)量的能力。”
“這種新型膜將會開啟控制液體中分子或離子種類的新模式，同時也表現(xiàn)出了在多個領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用前景。與半導(dǎo)體電子電路非常相似，高整流率的納米射流二極管是離子電路的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)單元，該結(jié)構(gòu)單元可以調(diào)節(jié)、傳感、濃縮和分離電解質(zhì)溶液中的離子和分子。同時，在以不對稱膜為基礎(chǔ)的光電能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中，高整流率是希望被看到的，因為相反方向的跨膜離子傳輸將會降低能量密度。”
作為一種能量轉(zhuǎn)換裝置，這種新型膜的功能與反向電滲析非常相似，膜兩側(cè)離子濃度的不同（例如，帶負電的氯離子和帶正電的鉀離子）使得能量得以被收集。在濃度梯度下，氯離子自發(fā)地跨膜擴散使得濃度梯度降低，同時離子擴散引起的電流產(chǎn)生能量，這些能量就可以被收集起來。
研究人員預(yù)測，該新型膜每平米可以產(chǎn)生上千瓦特的能量輸出，這與一些商用反向電滲析膜產(chǎn)生的能量相當并且有可能超越這些商用膜的產(chǎn)能。為什么該新型膜會有如此好的表現(xiàn)？研究人員發(fā)現(xiàn)，這種新型膜的不對稱性使得它可以克服干擾傳統(tǒng)反向電滲析膜的“濃度極化”問題。“濃度極化”的產(chǎn)生是因為，在氯離子濃度較低的一側(cè)，在允許帶正電荷離子通過的開口處，氯離子趨向于聚集在一起，使得這些區(qū)域的氯離子濃度大大高于其在該側(cè)溶液其他區(qū)域的濃度，這就使得跨膜的離子濃度差明顯小于預(yù)期，從而使跨膜擴散的氯離子大大減少。
這種新型膜不僅消除了“濃度極化”的問題，并且使得在這些開口處的氯離子濃度低于該側(cè)溶液其他部分的氯離子濃度，從而大大促進了離子擴散。研究人員認為，這種現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于膜的不對稱結(jié)構(gòu)和帶有輕微負電的孔隙造成的，這與傳統(tǒng)膜的對稱結(jié)構(gòu)和帶正電的孔隙恰恰相反。
聞利平說，“當這種新型膜被應(yīng)用于鹽度差發(fā)電時，由于濃度極化問題的解決，輸出的能量密度可以極大地增高，這對于現(xiàn)存的以離子交換膜為基礎(chǔ)的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的發(fā)展起到了指導(dǎo)性作用。”
將來，研究人員希望能夠進一步改良這種膜，使得它可以實現(xiàn)多領(lǐng)域應(yīng)用，如發(fā)電、水凈化和海水淡化等。
相關(guān)報導(dǎo)鏈接：http://phys.org/news/2015-11-membrane-energy-harvesting-reverse-electrodialysis.html
在工程改造的多相不對稱膜中，有一種不對稱體現(xiàn)在PET膜的孔狀結(jié)構(gòu)上，如圖b, c所示，膜中的錐狀孔的一端開口較大，另外一端開口較小。而BCP膜擁有不同大小的孔隙，這可以從圖d, e中看到。（來源：©2015美國化學(xué)學(xué)會）
據(jù)Phys.org報道，研究人員已經(jīng)構(gòu)建了一種新型納米多孔膜，這種膜選擇性控制離子通過的表現(xiàn)非常突出，例如若允許負離子通過，那么正離子的通過將會受到阻隔。為了闡明這種膜的一項可能的應(yīng)用，研究人員把膜制成能量轉(zhuǎn)換裝置，這種裝置通過分開正負帶電粒子而收集能量。這項技術(shù)與反向電透析非常相似，但是該膜結(jié)構(gòu)克服了一直存在于傳統(tǒng)反向電滲析的一項不足，從而提高了產(chǎn)能。
中科院的科學(xué)家張震（音）和聞利平以及他們的合著人在近期出版的《美國化學(xué)協(xié)會期刊》上發(fā)表了關(guān)于這種新型膜的文章。
研究人員將這種新型膜稱為“工程改造的多相不對稱膜”。“工程改造”指的是，將使用在活體器官上的易碎性細胞膜進行改性，使其變得牢固耐用；“不對稱”是因為該膜兩側(cè)對離子的篩選有所不同；“多相”是因為膜兩側(cè)是由不同的材料組成，這里研究人員使用了兩種高分子材料：嵌段共聚物（BCP）和聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）。雖然并不是所有不對稱膜都是多相的，但是相比于使用單一材料制造的不對稱膜，多相膜擁有一些絕對的優(yōu)勢，比如易于制造以及擁有極強的多功能性。
這種新型膜最大的特點就是，它能在一個方向增強離子的通過而在相反的方向上阻止其通過。因此，在離子的通透方向上能產(chǎn)生非常大的電流，而反方向上基本上沒有電流流過膜，這被稱為“離子電流整流”。這種新型膜的整流率大約為1075，這比迄今為止報道過的最高整流率高出一倍多。整流率表明了電荷流的非對稱性，這是由新型膜的不對稱（包括化學(xué)不對稱、幾何不對稱和電荷不對稱）引起的，使得新型膜在多種應(yīng)用領(lǐng)域都有極大的吸引力。
聞利平告訴Phys.org，“在控制電子傳輸方面，新型膜的表現(xiàn)與半導(dǎo)體二極管的機理非常相似，同時新型膜的性能表明它有定向傳輸特定種類的分子或離子以及控制它們通過數(shù)量的能力。”
“這種新型膜將會開啟控制液體中分子或離子種類的新模式，同時也表現(xiàn)出了在多個領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用前景。與半導(dǎo)體電子電路非常相似，高整流率的納米射流二極管是離子電路的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)單元，該結(jié)構(gòu)單元可以調(diào)節(jié)、傳感、濃縮和分離電解質(zhì)溶液中的離子和分子。同時，在以不對稱膜為基礎(chǔ)的光電能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中，高整流率是希望被看到的，因為相反方向的跨膜離子傳輸將會降低能量密度。”
作為一種能量轉(zhuǎn)換裝置，這種新型膜的功能與反向電滲析非常相似，膜兩側(cè)離子濃度的不同（例如，帶負電的氯離子和帶正電的鉀離子）使得能量得以被收集。在濃度梯度下，氯離子自發(fā)地跨膜擴散使得濃度梯度降低，同時離子擴散引起的電流產(chǎn)生能量，這些能量就可以被收集起來。
研究人員預(yù)測，該新型膜每平米可以產(chǎn)生上千瓦特的能量輸出，這與一些商用反向電滲析膜產(chǎn)生的能量相當并且有可能超越這些商用膜的產(chǎn)能。為什么該新型膜會有如此好的表現(xiàn)？研究人員發(fā)現(xiàn)，這種新型膜的不對稱性使得它可以克服干擾傳統(tǒng)反向電滲析膜的“濃度極化”問題。“濃度極化”的產(chǎn)生是因為，在氯離子濃度較低的一側(cè)，在允許帶正電荷離子通過的開口處，氯離子趨向于聚集在一起，使得這些區(qū)域的氯離子濃度大大高于其在該側(cè)溶液其他區(qū)域的濃度，這就使得跨膜的離子濃度差明顯小于預(yù)期，從而使跨膜擴散的氯離子大大減少。
這種新型膜不僅消除了“濃度極化”的問題，并且使得在這些開口處的氯離子濃度低于該側(cè)溶液其他部分的氯離子濃度，從而大大促進了離子擴散。研究人員認為，這種現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于膜的不對稱結(jié)構(gòu)和帶有輕微負電的孔隙造成的，這與傳統(tǒng)膜的對稱結(jié)構(gòu)和帶正電的孔隙恰恰相反。
聞利平說，“當這種新型膜被應(yīng)用于鹽度差發(fā)電時，由于濃度極化問題的解決，輸出的能量密度可以極大地增高，這對于現(xiàn)存的以離子交換膜為基礎(chǔ)的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的發(fā)展起到了指導(dǎo)性作用。”
將來，研究人員希望能夠進一步改良這種膜，使得它可以實現(xiàn)多領(lǐng)域應(yīng)用，如發(fā)電、水凈化和海水淡化等。
相關(guān)報導(dǎo)鏈接：http://phys.org/news/2015-11-membrane-energy-harvesting-reverse-electrodialysis.html
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