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30
2026
-
06
JACS: 用“梯度+跳跃传输”重构纳米通道，二维膜破解选择性与通量难题
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背景
渗透能作为一种来源稳定、可持续的“蓝色能源”，正受到越来越多关注，而基于反向电渗析的膜技术是实现其*转化的核心路径。然而，膜材料始终面临一个难以回避的矛盾：提高离子选择性往往依赖于更窄、更规整的通道，但这又会显著降低离子通量，从而限制整体功率输出。二维纳米材料膜（如氧化石墨烯）因其可调控纳米通道和高表面电荷密度，被认为是理想候选，但其层间距扩大后虽能提升通量，却往往牺牲选择性，难以实现两者的协同优化。与此同时，实际渗透能系统还需克服浓差极化和传输阻力等工程问题，使这一矛盾更加突出。
创新
近日，中国科学技术大学张振教授团队从生物离子通道获得启发，提出了一种“梯度非对称结构 + 跳跃传输机制”协同设计策略，构建出一种异质二维复合膜。在结构上，膜由双层组成：底层为大尺寸磺化氧化石墨烯与细菌纤维素构成的选择性基底，用于提供高离子选择性；上层为小尺寸氧化石墨烯、纤维素与海藻酸钠组成的功能层，用于增强离子通量。这种“由紧到松”的梯度结构，在厚度方向上形成连续的传输调控路径。更关键的是，海藻酸钠引入了富氧配位环境，使Na⁺在纳米限域中通过“跳跃式迁移”方式传输，显著降低迁移能垒。同时，非对称结构促进定向离子输运并减弱浓差极化损失。最终，该膜在海水/河水条件下实现约11 W m⁻²的功率密度，在更高浓差条件下可达约21 W m⁻²。
意义
该工作提供了一种同时突破“选择性–通量”权衡的新思路：不再单纯依赖孔径或电荷调控，而是通过空间结构梯度与局部传输机制的协同设计，实现离子传输过程的整体优化。在应用层面，这种设计策略有助于提升渗透能系统的实际输出性能，并为大规模应用提供更具可行性的材料基础。同时，其“非对称结构 + 微环境调控”的理念具有广泛适用性，可推广至离子分离、资源回收以及电化学能量转换等多个领域。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/ehW50hFhvlS95bSHXLiB3g
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