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1研究背景
在自然界中，生物通道通过精确选择和高效传输离子来维持生命活动，这一过程对于神经传导、营养代谢和能量转换等生理过程至关重要。受此启发，科学家们致力于开发模拟生物通道的人工纳米流体通道，以期在能源、环境和资源领域实现技术突破。这些纳米流体系统通过模拟生物通道的纳米尺度、复杂结构和表面特性，实现了对离子的高效选择和传输。然而，现有的纳米流体系统在光热转换效率上虽有优势，却因过高的热导率而难以形成有效的温度梯度，导致光驱动离子传输效率低下。为了解决这一问题，研究人员探索了多种策略，包括构建具有非对称或对称几何结构、表面电荷和化学组成的纳米通道，以及理论进展，如脱水分离、表面电荷控制传输和离子整流行为。此外，光响应性是生物通道提高离子传输效率的关键特征之一。例如，植物细胞膜通道在光照下，光合色素如叶绿素吸收光能，激发电子至更高能级，加速质子传递并驱动三磷酸腺苷（ATP）合成。因此，研究者们开始探索利用纳米通道结构单元的特殊光学性质，实现光响应离子传输模式，包括光电、光化学和光热效应。
2成果简介
在这项研究中，研究人员提出了一种基于金属和非金属二维（2D）纳米片同步堆叠的策略，构建了异质纳米流体通道。这种特定的纳米限域架构在光照区域保持高温，同时在非光照区域保持低温，从而从阳光中获得强大的驱动力，实现定向离子传输。结果表明，这种光响应离子传输系统在太阳能转换和渗透能收集方面展现出巨大潜力，超越了所有先前报道的纳米流体系统。此外，尽管目前仍处于概念验证阶段，但该系统在光信号监测方面显示出巨大前景。这项工作为开发先进的光响应离子传输系统及其重要应用提供了一种有效策略。3图文导读
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图1 展示了TVM（Ti3C2Tx/vermiculite复合纳米通道膜）的制备和特性。包括TVM制备的示意图、双流分区过滤法的示意图、TVM的图像、TVM表面形貌的扫描电镜（SEM）图像、Ti3C2Tx和蛭石区域的横截面形貌的SEM图像、TVM表面形貌的能量色散光谱（EDS）图像、Ti3AlC2和Ti3C2Tx膜的拉曼光谱、Ti3C2Tx膜C 1s区域的X射线光电子能谱（XPS）光谱、蛭石膜O 1s区域的XPS光谱、原始蛭石和蛭石膜的拉曼光谱、TVM的机械性能测试以及Ti3C2Tx和蛭石膜的热重分析。![]()
图2 展示了TVM的离子传输性能。包括TVM测试装置的模型、TVM测试装置的示意图、Ti3C2Tx膜与盐浓度的电导变化、蛭石膜与盐浓度的电导变化、Ti3C2Tx和蛭石膜的I-V曲线、TVM的I-V曲线以及TVM纳米通道中整流行为的示意图。![]()
图3 展示了TVM在光照下的光响应离子传输行为。包括TVM在光照下的测试装置示意图、TVM在光照下产生电流和电压的示意图、Ti3C2Tx和蛭石膜在光照下产生光诱导离子电流的示意图、TVM和Ti3C2Tx膜在红外摄像机下的光温度分布、TVM内部热传导的示意图以及TVM和Ti3C2Tx膜在光照下随时间变化的温度差。![]()
图4 展示了温度对TVM纳米通道中活性离子传输行为的影响。包括K+浓度分布的数值模拟、CI−浓度分布的数值模拟、不同温度梯度下K+和Cl−浓度变化的数值模拟、光热驱动离子传输机制的示意图、Ti3C2Tx/蛭石分布比例与离子电流密度变化的示意图以及TVM不同温度场分布的示意图。![]()
图5 展示了TVM纳米通道的光子能量转换性能。包括在不同浓度梯度下光照前后功率密度的变化、在0.01 M KCl溶液下光照和非光照下产生的I-V曲线、从平衡电解质溶液系统中获得的功率密度、不同类型电解质对电流密度和功率密度的影响、电解质浓度对峰值电压、电流和功率密度的影响以及不同测试膜面积对光照下功率密度的影响。![]()
图6 展示了通过集成光热驱动力提高渗透能高效收集的TVM。包括在不同浓度梯度下光照前后功率密度的变化、在50倍盐梯度下光照前后功率密度的变化、在50倍盐梯度下不同测试膜面积光照前后功率密度的变化以及与先前研究结果的功率密度比较。
4小结
这项研究通过同步堆叠2D金属和非金属纳米片，开发了一种具有高光热转换效率和低热导率的异质纳米流体系统。在光照下，Ti3C2Tx区域达到高温，而蛭石区域保持低温，形成显著的温度梯度，驱动定向离子传输。此外，在传统的渗透能回收应用中，光照下功率密度增加了3倍，超越了所有先前报道的光响应纳米流体系统。研究人员还展示了一个基于高效光响应离子传输的概念验证光信号监测器。这些发现推进了光响应离子传输过程的领域，为能源转换和传感技术中的先进应用提供了高效的方法。文献：
https://doi.org/10.1021/acsnano.4c10913
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