成都理工大學(xué)汪健課題組 JECE||離子對(duì)穿透抗膨脹水凝膠膜，實(shí)現(xiàn)高效的滲透能轉(zhuǎn)換

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成果簡介

近日，成都理工大學(xué)汪健課題組在國際知名期刊《Journal of Environmental Chemical Engineering》（IF=7.5）發(fā)表論文“Ionic pair-interpenetrated anti-swelling hydrogel membranes for efficient osmotic energy conversion”，研究團(tuán)隊(duì)采用化學(xué)修飾與結(jié)構(gòu)優(yōu)化協(xié)同策略，通過乙烯基咪唑（VI）與甲磺酸（MSA）形成離子對(duì)，顯著增強(qiáng)離子傳輸特性；同時(shí)MSA引入的磺酸基團(tuán)與凝膠基質(zhì)構(gòu)建多重氫鍵，有效穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、抑制溶脹，并形成微尺度互聯(lián)孔隙，提高空間電荷密度和傳輸效率。基于調(diào)節(jié)的界面電荷與獨(dú)特輸運(yùn)網(wǎng)絡(luò)，AVM凝膠展現(xiàn)出優(yōu)異的陽離子選擇性，在50倍NaCl梯度下功率密度達(dá)74.01 W·m-2，且長期運(yùn)行9天后功率保持率達(dá)89.66%，兼具出色的抗溶脹和抗脫水能力。該工作為水凝膠中電荷基團(tuán)的多功能利用及抗膨脹多孔材料設(shè)計(jì)提供了有效策略。

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研究背景

化石燃料過度使用加劇能源危機(jī)與環(huán)境惡化，滲透能（鹽度梯度能）作為儲(chǔ)量巨大的可再生資源備受關(guān)注。反向電透析（RED）是獲取滲透能的主要技術(shù)，其核心離子選擇性膜的性能決定能量轉(zhuǎn)換效率，但傳統(tǒng)RED膜受限于選擇性低、傳輸阻力高、離子通量不足及穩(wěn)定性差等問題。水凝膠膜因三維多孔結(jié)構(gòu)、高含水率和豐富官能團(tuán)而具備應(yīng)用潛力，然而現(xiàn)有水凝膠普遍存在交聯(lián)密度不足、電荷功能化欠缺、導(dǎo)電性低、網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定及保水性差等缺陷，難以實(shí)現(xiàn)高功率輸出。

本研究通過原位聚合制備了丙烯酰胺/乙烯基咪唑/甲磺酸（AM/VI/MSA）多孔水凝膠膜（AVM-gel）。其中，MSA的磺酸基團(tuán)與VI的咪唑陽離子形成離子對(duì)，增強(qiáng)電荷密度與道南電勢(shì)差，同時(shí)通過多重氫鍵調(diào)控孔徑并賦予優(yōu)異的保水抗溶脹性能；三維交聯(lián)電荷網(wǎng)絡(luò)大幅提升離子電導(dǎo)率和陽離子選擇性。在模擬海水/河水體系（50倍鹽度梯度）下，AVM-gel膜的功率密度達(dá)74.01 W·m-2，遠(yuǎn)優(yōu)于未摻雜MSA的對(duì)照膜（2.97 W·m-2）。該材料制備工藝簡便溫和，兼具高性能、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和規(guī)模化制備可行性，為下一代RED膜設(shè)計(jì)及滲透能實(shí)用化提供了新思路。

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相關(guān)數(shù)據(jù)

圖1。AVM-凝膠合成示意圖。（a）AVM-凝膠的制備。（b）MSA使VI的質(zhì)子化。（c）丙烯酰胺和醋酰咪唑鹽的聚合物鏈。（d） 水凝膠膜離子輸運(yùn)和滲透能轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。

圖2。AVM凝膠和AV-凝膠的表征。（a）AV-gel和AVM-gel的頂視圖FESEM圖像。（b）孔徑分布直方圖。（c）AV-凝膠和AVM-凝膠的橫斷面FESEM圖像。（d）在MSA存在或缺失情況下的FTIR光譜。（e）含有和無MSA的水凝膠在不同pH值下的Zeta電位。（f）XPS調(diào)查AVM凝膠膜在固定VI含量下具有不同MSA載荷（0–2.5克）的光譜。

圖3。水凝膠的保水和抗膨脹特性。（a）AV-凝膠和AVM-凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的示意圖，用于保持水分。（b）在10天體重保持測(cè)試中拍攝的AV-gel和AVM-gel的光學(xué)照片。（c）有無MSA的水凝膠歸一化重量保持率與時(shí)間之間的關(guān)系。（d）不同濃度溶液中AV-凝膠和AVM-凝膠膨脹比隨時(shí)間變化。

圖4。AVM凝膠的離子傳輸特性及滲透能轉(zhuǎn)換性能。（a）AVM凝膠多孔網(wǎng)絡(luò)中界面電荷調(diào)控離子輸運(yùn)的示意圖。（b）AVM-凝膠在高低濃度條件下的I-V曲線。（c）開路電壓和短路電流作為濃度梯度的函數(shù)。（d）AVM-凝膠在不同KCl溶液濃度梯度下的離子選擇性。誤差條表示三個(gè)獨(dú)立檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)差。（e）AVM-凝膠在不同KCl溶液濃度梯度下的能量轉(zhuǎn)換效率。誤差條表示三個(gè)獨(dú)立檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)差。（f）AVM-凝膠與AV-凝膠在不同電解質(zhì)濃度下的電導(dǎo)率比較。（g）AVM凝膠正反兩側(cè)的I-V曲線。（h）AVM-凝膠在交替+1伏和?1伏偏置下的當(dāng)前響應(yīng)，持續(xù)60分鐘。

圖5。AVM-凝膠在不同條件下的滲透能轉(zhuǎn)換行為。（a）不同厚度AVM凝膠的最大輸出功率密度。誤差條表示三個(gè)獨(dú)立檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)差。（b）AVM-凝膠與AV-凝膠之間的功率與電流密度比較。誤差條表示三個(gè)獨(dú)立檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)差。（c）在50倍鹽度梯度下，有效測(cè)試面積約0.03毫米時(shí)輸出功率密度的比較2.（d）AVM-凝膠（厚度500微米）在不同電解質(zhì)下的最大輸出功率密度。誤差條表示三個(gè)獨(dú)立檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)差。（e）AVM凝膠（厚度為500微米）在5倍、50倍和500倍NaCl鹽度梯度下，隨載荷抵抗變化時(shí)的輸出功率密度。（f）AVM-凝膠（厚度500微米）在9天內(nèi)在50倍NaCl鹽度梯度下測(cè)量的最大輸出功率密度。

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DOI:10.1016/j.jece.2026.123924

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