重塑全球能源结构并实现碳中和社会高度依赖于可再生、可靠且经济实惠的替代能源的发展。这是因为化石燃料不仅对环境造成了严重影响，还面临着资源快速枯竭的危机。然而，目前主流的清洁能源（如太阳能和风能等）所固有的间歇性极大地限制了它们大规模替代化石燃料的可行性。另一方面，水，作为地球上最丰富的资源之一，有望为清洁能源应用领域的革命贡献力量。一方面，通过淡水与海水之间的盐度差异，可以从二者吉布斯自由能差中收集巨大的渗透势能。借助反向电渗析（RED）技术，这种日常波动极小的可再生渗透势能可以转化为稳定的电力供应。基于全球河流流入海洋的流量估算，每年从渗透势能中获取的电力可高达2 TW，这将大幅减少对化石燃料的依赖。另一方面，为有效将间歇性的太阳能和风能并入电网，对大规模储能设备的需求十分迫切。水系锌金属电池（ZMB）以其固有的高安全性、低成本和环境友好性等特点，被视为电网级能源存储技术的有力候选者。然而，界面处不理想的物质输运过程显著降低了水系能量转化和存储系统的性能：渗透势能发电器件（OPG）的离子选择性不足，其阴离子和阳离子通量的分离效率低，因此通常发电性能较差；而在ZMB中，包括负极|电解液界面处水分子所引发的析氢反应（HER）、锌金属负极腐蚀和枝晶生长在内的一系列问题也使电池容易发生过早失效。
将纳米流体膜浸入NaCl水溶液中，以研究膜材的选择性离子输运性能。图2a展示了不同膜在NaCl水溶液中浸泡时的电流–电压（I–V）曲线。所有曲线都呈现出典型的线性欧姆响应，这归因于对称的微观孔结构。跨膜离子电导由I–V曲线的斜率计算（图2b）。在较高浓度范围（>~10–2 mol L–1）下，GO膜的离子电导与NaCl浓度呈线性关系，呈现出体相扩散的特征。相比之下，在较低浓度范围（<~10–2 mol L–1）下，离子电导几乎与盐浓度无关，表明此时候的输运机制主要由表面电荷效应主导。此外，可以看出，在较高浓度范围下，GONR和GO/GONR膜的电导显著高于GO膜，但在较低浓度范围下，这一趋势是相反的。这是因为由GONR组装而成的桥状结构具有更高的孔隙率和更顺畅离子输运网络，可以极大地减少离子的输运路径长度。因此，在较高浓度范围内，GONR和GO/GONR膜的电导远高于GO膜。相比之下，在较低浓度范围内，由于GO膜含有大量可电离的官能团，其表面电荷密度要高于GONR和GO/GONR膜，因此跨膜离子输运得到了加速。在整个浓度范围内，GO/GONR膜的电导值位于GO膜和GONR膜之间，这表明“岛-桥”结构能够很好地平衡表面电荷密度和膜孔隙率。
图2.GO/GONR膜的跨膜离子输运性能。（a）GO/GONR膜在不同浓度下的I–V曲线。（b）GO、GONR和GO/GONR膜在不同浓度下的离子电导曲线。（c）在1000倍浓度梯度下，GO、GONR和GO/GONR膜的Vosm和Iosm。（d）GO/GONR膜在不同浓度梯度下的Vosm和Iosm。（e）甲基橙在6小时内跨玻璃纤维（GF）膜和GO/GONR膜扩散的光学图片和（f）对应浓度随时间的变化。
图3.GO/GONR膜的渗透势能发电性能。（a）GO和GO/GONR膜在人工海水|河水工况下的电流密度和功率密度曲线。（b）使用不同单价阳离子（Li+、Na+和K+）的氯盐时，GO/GONR膜的功率密度曲线。（c）GO/GONR膜在不同NaCl浓度梯度下的最大功率密度。（d）GO/GONR膜在天然海水|河水工况下的渗透势能发电性能。（e）GO/GONR膜与已报道的层状纳米流体膜的性能比较，粉色和绿色区域分别代表具有二元和单一结构的膜。（f）GO/GONR膜在人工海水|河水工况下的容量保持率。
图4.MD模拟。（a）非平衡模拟模型示意图。（b）通过GO和GO/GONR膜的离子累计计数。（c）GO膜和（d）GO/GONR膜沿z轴的离子密度分布图。
为了验证纳米流体膜OPG的应用潜力，开发了一种由OPG单元组成的串联设备。串联设备的每个单元由两个与GO/GONR膜相连的水箱（体积约50 mL）组成，并置于50倍NaCl浓度梯度下（图5a）。观察到串联设备的输出电压与串联单元数之间呈良好的线性关系（图5b）。考虑到单个单元的平均输出电压约为152.2 mV，包含20个单元的串联设备的整体输出电压可达到约3.04 V，足以驱动一个红色发光二极管（图5c）。此外，GO/GONR膜的渗透势能发电性能还可以通过集成外部刺激（如光照）来进一步提升（图5d）。
图5.岛桥结构膜的实际应用与普适性验证。（a）人工海水|河水工况下的串联OPG设备示意图。（b）整体输出电压与OPG单元数量之间的依赖关系。（c）由串联OPG供电的红色发光二极管。（d）在天然海水|河水工况下，由GO/GONR膜组装得到的OPG的电流曲线随光照刺激的变化。（e）各种纳米片（即GO、BN和MXene）和纳米带（即NTO和GONR）的zeta电位。（f）由岛状结构、桥状结构及岛-桥结构纳米流体膜组装得到的OPG的功率密度比较。
图6.水系锌金属电池。（a）应用同位素标记技术的Zn2+去水合测试示意图。（b）GO/GONR中间层在去水合测试进行0小时和4小时后的ATR-FTIR光谱。（c）表面有、无GO/GONR中间层的GF隔膜浸泡在2 mol L–1 ZnSO4电解液中的拉曼光谱。（d）有、无GO/GONR中间层的锌电极的Tafel曲线及相应的腐蚀电流密度。（e）通过原位光学显微镜观察的有、无GO/GONR中间层的锌箔上的锌沉积情况。（f）有无GO/GONR中间层的Zn-I2电池在1.0 A g–1下的循环性能。
康飞宇，清华大学深圳国际研究生院教授、博士生导师。长期从事储能用碳材料和先进电池研究。在国内外重要期刊发表论文483篇，其中在Nat. Nanotechnol.等期刊以通讯/第一作者发表论文299篇，他引4.2万余次，H因子125，2018–2022年连续入选科睿唯安高被引科学家，出版《天然石墨深加工技术及其应用》专著，合著《储能用碳基纳米材料》等中英文著作7部，Energy Materials and Devices期刊主编。授权发明专利190件，包括美日韩专利12件，34件实现技术转移和应用。以第一完成人获国家技术发明二等奖、教育部自然科学一等奖、广东省自然科学一等奖和中国建材学会技术发明一等奖，获广东省丁颖科技奖和深圳市长奖。
周栋助，清华大学深圳国际研究生院助理教授、博士生导师。2017年博士毕业于清华大学材料学院，先后加入澳大利亚悉尼科技大学清洁能源技术中心和日本东京大学理学院从事博士后研究。研究方向主要为新型二次电池的电极、电解质材料研究及界面行为分析。目前以第一/通讯作者在Nature Energy, Nat. Nanotechnol., Nat. Rev. Mater., Nat. Commun., Chem. Rev., Chem, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Nano Lett.等期刊发表论文40余篇，总被引7700余次。当选日本JSPS Fellow、澳大利亚DECRA Fellow。2020年获得广东省自然科学一等奖。
雷钰，清华大学深圳国际研究生院材料研究院助理教授、博士生导师。2019年毕业于宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程系，获博士学位。主要研究方向是二维材料的制备、基面活性调控及其在生物相关领域应用。迄今为止，已发表SCI论文50余篇，其中包括Nature Materials、Science Advances、Advanced Materials、Materials Today、ACS Nano、Small等期刊；已申请2项美国专利，获批1项中国专利。
Energy Materials and Devices
Energy Materials and Devices是清华大学主办的全英文开放获取(Open Access)期刊，2023年9月创刊，清华大学康飞宇教授担任主编。作为一本瞄准能源材料前沿领域、国际化的多学科交叉期刊，聚焦能源材料与器件领域的基础研究、技术创新、成果转化和产业化全链条创新研究成果，面向全球发表原创性、引领性、前瞻性研究进展，推动能源科学和产业发展，助力“碳达峰、碳中和”。
诚邀与具有引领性、创新性和实用性的先进能源材料与器件相关的文章投稿！2025年前免APC费用！
包括但不限于：二次电池、太阳能电池、燃料电池、超级电容器、液流电池、安全评估、 电池回收、材料表征和结构解析、 碳足迹和碳税负等主题。
文章类型: 研究论文、综述、快报、专家观点和研究亮点。
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