第一作者：任子奇

通讯作者：刘逆霜教授

通讯单位：华中科技大学物理学院

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202514029

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渗透能是一种新型可再生能源，它源于盐度梯度溶液混合过程中的熵增效应，展现出巨大潜力但尚未获得足够的关注。与受气象条件限制的风能和太阳能不同，渗透能通过持续混合盐度梯度流体（如海水淡化卤水、采矿废水和盐湖水）来利用吉布斯自由能。然而，渗透能技术的可行性仍存在争议。当基于RED技术的渗透能器件尺寸扩展到模块化级别时，浓差极化等不利效应会导致功率密度显著下降。因此，渗透能尚未被视为具有竞争力的可再生能源。当前的 RED 系统研究主要局限于实验室尺度，尽管这些研究通常能实现超过商业化膜的 5 W m⁻² 的功率密度，但计算表明单个膜器件的最大输出功率小于 0.4 µW。这种对超微尺度测试策略的依赖源于ISM 工作面积扩展时观察到的功率密度的指数衰减现象。因此，克服 ICP 效应带来的限制，并在大面积工作条件下保持高功率密度 ISM 性能，是推动 RED 系统走向实际应用的核心科学挑战。应对这些挑战需要跨学科方法，整合界面工程、离子动力学优化和创新器件配置。 这些努力对于将渗透能转换技术从实验室研究规模过渡到实际应用至关重要。

研究出发点

这项研究提出了一个跨越两个尺度的策略，通过构筑离子液体限域多孔MXene（IPM）系统，实现了渗透能转换性能的提升。

1）微观尺度：将化学稳定且疏水的离子液体[EMIM][TFSI]限域在多孔 MXene 的纳米流体通道内，实现了纳米限域环境与离子液体之间的协同效应。 这种协同效应导致阳离子部分脱水，使其能够与 TFSI⁻ 阴离子重新结合，形成一种新型的弱相互作用溶剂化结构。从而使阳离子与离子液体发生协同扩散，促进阳离子的快速、低摩擦传输。

2）宏观尺度：克服了传统 RED 系统的构型限制。通过将单孔结构替换为空间解耦的微孔阵列，使器件层面的ICP 效应得到有效抑制。在相同的面积条件下，该结构使输出功率密度提高了 53.6%，单个设备的最大输出功率达到 3.47 µW。这种多尺度协调策略，在微观和宏观层面均进行了优化，为解决长期存在的渗透能转换技术挑战提供了一种解决方案，使微尺度高性能更有效地扩展到更大系统。

图文解析

图1. 基于离子液体限域多孔MXene 膜的渗透能转换系统。

图2. 跨膜离子传输性能。

通过广泛的研究和文献综述，可以观察到当前研究实践中存在一个持续的趋势，即通常使用 3 × 10⁻⁸ m² 的测试面积来计算当前 RED 器件的渗透能转换性能。因此，本工作也测试了基于 IPM 的 RED 器件在该有效面积下的功率输出，发现其在 0.5M/0.01M KCl 溶液中的功率密度高达 11.05 W m⁻²。将这一结果与近年来相关研究进行了比较，IPM 在该有效面积尺寸上总体处于领先地位。然而，如果基于 RED 系统的渗透能收集研究仅专注于如此小的工作区域，即使功率密度超过 10 W m⁻²，单个器件在转换后的功率仍然小于 0.4 µW，那么渗透能收集的应用将仅限于实验室规模，无法推广成为真正的可再生能源。总结了当 IPM 的工作区域半径从 0.1 增加到 2.25 mm 时的输出功率密度。不难发现，随着工作区域的增加，功率密度将呈现指数下降趋势。事实上，所有研究工作都遇到了这个问题。导致这种不利结果的最大因素是 ICP 效应。对于阳离子选择性膜，该问题的根源在于电解质-膜界面低浓度侧阴离子被耗尽，而高浓度侧阳离子被耗尽（对于阴离子选择性膜则相反）。

图3. 渗透能转换性能。

IPM 纳米流体通道中钾离子快速传输的关键机制：首先，在离子液体限域纳米通道中，EMIM⁺ 阳离子和 TFSI⁻ 阴离子在 MXene 层之间发生解离和重排，形成双电层（EDL）。其次，纳米通道和离子液体共同诱导 K⁺ 的部分去水化，使 K⁺ 与 TFSI⁻ 重新结合形成一种新型的弱相互作用溶剂化结构。最后，这种重构的溶剂化层减少了离子与通道壁之间的瞬时化学相互作用，而第二配位层中的 TFSI⁻ 提供了松散的动态跳跃环境，促进了 K⁺ 从一个 TFSI⁻ 到另一个 TFSI⁻ 的快速跳跃。

图4. 理论模拟下的工作机理。

为了阐明 IPM 纳米流体通道内的离子相互作用机制，基于 Poisson-Nernst-Planck 和 Navier-Stokes（PNP-NS）方程进行了连续动力学模拟。基于模型-4 进一步开发了多通道模型（模型-5 和模型-6），希望通过有限元模拟为ICP的工程迭代问题提供有效见解。在低密度通道模型（模型-5）和高密度通道模型（模型-6）中，各通道之间的间距分别设置为 50 nm 和 5 nm。模型-5 和模型-6 的稳态模拟表明，随着阳离子从高浓度侧迁移到低浓度侧，它们在膜表面局部积累（超过主体溶液浓度）。阳离子积累曲线的定量分析表明，高密度通道加剧了阳离子积累，导致更严重的ICP效应。 此外，为了维持电中性，阳离子的积累需要通过阴离子来补偿。然而，阴离子无法通过膜从高浓度侧补充，导致在膜表面附近形成阴离子浓度显著降低的耗尽层。紧密排列的高密度通道表现出不利的耗尽层相互作用，加剧了 ICP，而间距较宽的低密度通道则避免了这个问题。在模拟结果中不难发现，若纳米流道间距足够大，ICP 效应将被削弱，而 ECG 将增加，从而为离子扩散提供更有效的方式。由于纳米尺度离子通道间距的控制依赖于繁琐的材料加工步骤和昂贵的科学设备，这将增加渗透能系统的成本负担。因此，如果难以解决纳米尺度离子通道的 ICP 问题，那么这个问题可以宏观化，在宏观尺度上减少 ICP 效应的成本将大大降低。 图6展示了本工作在 RED 器件中有效工作区域布局的工程设计思路。

图5. 基于连续体动力学的有限元模拟。

图6. 实际应用中渗透能的性能。

总结与展望

这项工作构建了一种突破宏观尺度ICP 效应限制的 IPM 渗透能转换系统，在较大工作面积下实现了更高的功率密度。展望未来，IPM 系统在从盐度梯度中获取能量的实际应用方面显示出巨大潜力，例如在海水淡化厂的盐卤排放口、用于盐卤提取的盐穴或自然盐湖资源中。这些地点代表了集中且未被开发的渗透能资源，可用于可再生能源发电。在规模扩大方面，微孔阵列设计本质上与模块化组装和卷对卷制造工艺相兼容，这将促进大面积膜的制备。IPM系统的功率输出和稳定性增强，可以显著提高投资回报率，从而加速渗透能转换技术的经济可行性。这种多尺度协调策略，在微观和宏观层面进行优化，通过实现微尺度高性能向可扩展系统的转化，为渗透能转换中的长期挑战提供了一种有效的解决方案。

课题组介绍

刘逆霜教授主页：http://faculty.hust.edu.cn/liunishuang/zh_CN/index.htm

原文信息

Z. Ren, Q. Zhang, J. Yin, M. Deng, X. Zhou, Q. Yao, S. Li, Y. Gao, N. Liu. “Spatial Decoupling Strategy Enhanced Ionic Liquid-Confined Porous MXene for Breakthrough Osmotic Energy Conversion.” Adv. Mater. (2025): e14029. https://doi.org/10.1002/adma.202514029