随着工业化进程加速，能源消耗和温室气体排放剧增，促使研究人员寻找可再生能源作为替代方案。渗透能作为一种“蓝色能源”，即利用淡水和含盐水之间的离子浓度差异来获取能量，被认为是解决全球能源危机和环境问题的潜在方案。反向电渗析（RED）作为渗透能转化为电能的方法之一，需要高性能离子选择性膜以实现高效离子传输。然而，现有的表面电荷密度调节方法在RED应用中存在离子选择性不足、功率密度有限和膜耐久性差等问题，因此亟需新的策略来解决这些问题。开发新型离子选择性膜，进一步提升离子传输性能是重要策略之一。同济大学化学科学与工程学院刘明贤教授课题组与复旦大学孔彪研究员、西安交通大学谢磊研究员围绕该问题的解决开展合作，提出了一种基于缺陷工程调控表面电荷策略，通过界面超组装智能调控离子传输，实现了渗透能发电。近日，相关研究成果以“Interfacial Super-Assembly of Vacancy Engineered Ultrathin-Nanosheets toward Nanochannels for Smart Ion Transport and Salinity Gradient Power Conversion”为题发表于化学领域国际顶级期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）。
研究团队将缺陷工程处理的NiCoLDH（VOLDH）与纤维素纳米纤维包裹的碳纳米管（CNF-CNT）进行界面超组装，制备了VOLDH/CNF-CNT复合离子通道膜，实现了表面电荷密度的有效调控。该膜具有丰富的埃级尺度的阳离子选择性离子通道，层间自由间距约为3.62 Å，具有尺寸约束的离子选择性能，提高了膜的亲水性和表面电荷密度，降低了离子传输电阻，实现了优异的电荷选择性。
XRD和同步辐射GIWAXS等表征证实了制备的复合膜中存在埃级离子通道，其层间自由间距约为3.62 Å。通过缺陷工程和界面超组装，复合膜在水中的亲水性显著提高，有利于离子在离子通道中的跨膜传输。
丰富的表面负电荷有利于对阳离子的选择性，有效提高离子在复合膜通道中的扩散和迁移速率，从而提高复合膜跨膜离子传输特性。
研究人员进一步将VOLDH/CNF-CNT复合膜组装为纳米流体系统，研究其离子传输特性和渗透能发电性能。复合膜具有出色的离子选择性，pH和温度敏感的离子传输行为，在模拟河水和海水条件下，表现出高功率密度（5.35 W/m2）和长期耐久性，功率密度比未处理的NiCoLDH膜提高了近400%。
DFT理论计算表明，缺陷工程处理能够调控LDH的电子结构，从而调节其表面电荷，进一步影响其在通道内的离子传输和吸附特性。其与CNF-CNT界面超组装能够实现独特的埃级离子通道和通道内增大的表面电荷，这不仅提供了丰富的离子传输路径，同时最大限度地增强了受限几何内离子-壁之间的界面相互作用，赋予高选择性离子传输特性。
同济大学刘明贤教授、复旦大学孔彪研究员和西安交通大学谢磊研究员为论文共同通讯作者，同济大学化学科学与工程学院博士研究生阿卜杜黑热木·阿瓦提为论文第一作者。该研究工作得到了国家自然科学基金委和上海市科委资助。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202407491
另讯，刘明贤教授近期联合上海电力大学闵宇霖教授及徐巾婷博士、澳大利亚阿德莱德大学郭再萍院士，首次通过磺酰基分子诱导定向锂沉积构建长循环锂金属电池，相关研究成果以“Sulfonyl Molecules Induced Oriented Lithium Deposition for Long-Term Lithium Metal Batteries”为题发表于化学领域国际顶级期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition），同济大学化学科学与工程学院博士研究生张达为论文第一作者。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202315122
