存在于河水與海水之間的鹽差能是一種極具潛力的可再生能源(圖1)。理論上，河-海交匯處的鹽差能密度約為0.8 kWh·m-3，全球各河口區(qū)鹽差能總儲量高達30 TW，可能利用的有2.6TW，我國的鹽差能估計為1.1×108kw。用于提取這種能量的方法主要有壓力延遲滲透技術(shù)(pressure-retarded osmosis，PRO)和反向電滲析技術(shù)(reverse electrodialysis，RED)。PRO技術(shù)使用半滲透膜，利用滲透壓差使水從低濃度側(cè)滲透至高濃度側(cè)，通過溶液體積的增加來驅(qū)動渦輪發(fā)電機實現(xiàn)發(fā)電;RED技術(shù)使用離子交換膜，利用不同離子在離子交換膜內(nèi)的定向選擇性遷移，從而直接將化學勢能轉(zhuǎn)換為電能，具有投資成本更低、能量密度更高等優(yōu)勢。因此，RED技術(shù)引起了廣泛的研究興趣。RED過程存在兩個主要挑戰(zhàn)。一是缺乏能同時實現(xiàn)高功率密度和高轉(zhuǎn)換效率的膜材料：通過分析前期的研究結(jié)果，團隊發(fā)現(xiàn)基于納米孔的離子交換膜可以大幅度提高鹽差能發(fā)電的功率密度，但其能量轉(zhuǎn)換效率依然非常有限(功率密度>1 W m-2，效率大多為?30%)，其本質(zhì)原因是膜滲透性和選擇性間存在的相互制約關(guān)系;二是鹽差能提取的概念僅限于海水和河水(具有明顯滲透壓差、鹽度差)的體系，從工業(yè)廢水等其他水源中提取能源的研究很少，亟需開發(fā)出不受復雜鹽組成、溶液pH、溫度等影響的能量提取過程，實現(xiàn)多種形式的鹽差能提取。
圖1 鹽差能的提取概念圖(圖片來自網(wǎng)絡(luò))
基于上述兩大挑戰(zhàn)，團隊設(shè)計了一種磺化的超微孔聚合物膜SPX，用于提取儲存在不同濃度溶液中的滲透能(圖2A,2B)。SPX膜具有大小為5- 9 Å的親水微孔，表現(xiàn)出受表面電荷控制的離子傳輸和優(yōu)異的陽離子選擇性。在模擬海水和河水混合的情形下(50倍NaCl濃度梯度)，實現(xiàn)了0.62 Wm-2的功率密度，能量轉(zhuǎn)換效率保持在38.5%以上(圖2C)。利用熱梯度和濃度梯度的協(xié)同作用，該鹽差能提取裝置的性能進一步提高到1.23 W m-2和48.7% (理論提取上限為50%) (圖2D)。這是目前為止在50倍NaCl梯度下報道的最高效率。
圖2 基于磺化的超微孔聚合物膜的滲透發(fā)電裝置示意
該研究也揭示了亞納米通道內(nèi)的尺寸篩分效應(yīng)，該效應(yīng)使基于SPX膜的鹽差能提取裝置可以從等摩爾濃度溶液的混合過程中提取吉布斯自由能，拓展了鹽差能發(fā)電的概念。在0.5 M HCl/0.5 M LiCl條件下，功率輸出達0.55 W m-2(圖2E)。此外，基于SPX膜的鹽差能提取裝置不受復雜鹽組成、溶液pH、溫度等影響，并且在連續(xù)運行模式下具有良好的長期穩(wěn)定性。該研究成果將鹽差發(fā)電的概念拓展到擴散發(fā)電，未來或許可用于從工業(yè)廢水中提取能量。該論文的第一作者為博士生朱晴，楊正金教授和徐銅文教授為共同通訊作者。該研究工作得到國家自然科學基金(Nos. 21922510、21878281、U20A20127)和中科院大連潔凈能源國家實驗室合作基金(DNL201910)的支持。
