论文信息：

Robust Cellulose Nanocrystal-based Self-assembled Composite Membranes Doped with Polyvinyl Alcohol and Graphene Oxide for Osmotic Energy Harvesting

Xin Zhang, Minmin Li,* Fusheng Zhang, Qiongya Li, Jie Xiao, Qiwen Lin, and Guangyan Qing*

Small 2023, DOI: 10.1002/smll.202304603

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/smll.202304603

平衡能源利用和环境保护是可持续发展的关键要求，因此，寻找开发可再生和清洁能源是研究人员长期以来的研究动力。渗透能，也称盐差能，是蕴藏于不同浓度溶液之间由盐度差异产生的能量，在自然界中广泛存在于河水与海水的交界处，是一种前景广阔的“蓝色能源”，具有来源稳定、获取方式简单、绿色可持续及储量巨大等特点。

目前渗透能的收集手段通常基于反电渗析(RED)技术，该技术高度依赖离子选择膜(ISM)。作为渗透能量收集的核心组件，ISM可以选择性地优先跨膜传输单一或阴离子，从而在跨膜盐度梯度下自发产生净离子电流。然而，基于商业离子交换膜的RED系统往往存在成本高昂、离子选择性低、传质不足和膜阻力过高的问题，导致较低的功率输出。

与传统认知中的长链纤维素相比，针状的纤维素纳米晶（CNC）因其优异的机械强度、丰富的表面电荷以及能够自发组装的特点受到广泛关注。然而，由于CNC材料固有的水不稳定性，鲜有研究利用CNC构建渗透能收集膜。基于课题组前期围绕CNC展开的一列相关研究工作: ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 10.1021/acsami.9b00471; ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 10.1021/acsami.1c02753; Adv. Funct. Mater. 2022, 10.1002/adfm.202204487; Small 2023, 10.1002/smll.202207932，在此创新性的利用聚乙烯醇（PVA）和氧化石墨烯（GO）纳米片作为客体添加剂，开发设计出基于自组装纤维素纳米晶（CNC）的纳米流体复合膜，柔韧的长链PVA分子与CNC自组装形成珍珠层状结构，可显著提升复合膜的机械强度和水稳定性。并且得益于 CNC和 GO 材料自身丰富的表面负电荷以及复合膜中大量的纳米网络通道，该复合膜显示出良好的阳离子选择性。经验证，该复合膜在 100 倍盐度梯度条件下可实现 6.5 W/m2 的最佳功率输出密度，超过5 W/m2 的商业化标准。在连续 25 天的运行过程中，保持了出色的输出稳定性。

这项工作为开发纳米流体膜提供了一种新的思维范式，即利用资源丰富、可持续的生物质材料方便、大规模地制备纳米流体膜，实现渗透能的高效收集利用。