顆粒在線訊：近日，中國科學(xué)院國家納米科學(xué)中心研究員唐智勇和李連山團(tuán)隊在單分子層COF膜用于鹽差能轉(zhuǎn)化領(lǐng)域的研究取得重要進(jìn)展。4月25日，相關(guān)研究成果以Advancing osmotic power generation by covalent organic framework monolayer為題，在線發(fā)表在《自然-納米技術(shù)》（Nature Nanotechnology）上。《自然-納米技術(shù)》同期以Harnessing blue energy with COF membranes為題，對該成果發(fā)表觀點評述文章。 

　　 滲透能又稱作鹽差能，是通過混合海水和河水獲得的重要清潔能源。鹽差能轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵是能夠?qū)崿F(xiàn)正負(fù)離子選擇性和低阻力傳輸?shù)倪x擇性透過膜，即當(dāng)正負(fù)離子在濃度梯度驅(qū)動下以不同的速度通過離子選擇性膜時，將在高濃度側(cè)和低濃度側(cè)之間產(chǎn)生電勢差，從而在外電路產(chǎn)生電流。傳統(tǒng)的聚合物離子交換膜通常可實現(xiàn)正負(fù)離子的高選擇性傳輸，但其高膜電阻使離子通過速度和電流密度低，導(dǎo)致能量輸出功率密度很難超過商業(yè)化應(yīng)用的5 Wm-2的最低標(biāo)準(zhǔn)。因此，在保持正負(fù)離子選擇性的基礎(chǔ)上提高膜電導(dǎo)及離子傳輸速率是解決問題的關(guān)鍵。 

　　 二維材料的超薄厚度導(dǎo)致的低膜電阻使其成為解決這一問題的理想材料。例如，在硫化鉬單層上的單個納米孔展現(xiàn)了超高的輸出功率密度，而傳統(tǒng)單分子層膜，如單層硫化鉬和石墨烯等，在降低膜電阻的同時存在兩個缺陷：通過自上而下的物理打孔方式難以構(gòu)筑高密度和尺寸均勻的納米孔；低膜電阻導(dǎo)致的濃差極化現(xiàn)象使單納米孔的性能難以線性外推到多孔體系，即當(dāng)孔密度非常高時，使膜兩側(cè)難以保持有效的濃度差，從而引起電流和電壓的急劇下降，這一現(xiàn)象導(dǎo)致的單孔到多孔體系的性能衰減使人們一度質(zhì)疑鹽差能轉(zhuǎn)化的可行性。 

　　 為解決這一難題，科研團(tuán)隊通過預(yù)組裝界面聚合反應(yīng)，構(gòu)筑了大面積的共價有機(jī)框架（COF）單分子層薄膜，在降低膜電阻的同時通過低孔間距導(dǎo)致的孔-孔耦合效應(yīng)有效抑制濃差極化引起的電壓和電流的下降。COF材料固有的高孔密度和單分子層的厚度使膜傳質(zhì)阻力低至極限，從而提高了膜電導(dǎo)和電流密度；這一獨特體系的高孔密度和低孔間距引起的新穎的孔-孔耦合效應(yīng)是解決濃差極化引起的性能衰減的關(guān)鍵，即COF膜中的荷電納米孔對臨近納米孔產(chǎn)生影響，從而抗衡濃差極化引起的電流和電壓的下降。這一材料設(shè)計將鹽差能轉(zhuǎn)化的輸出功率密度提高至135 Wm-2。進(jìn)一步，研究通過調(diào)控COF框架中卟啉分子的金屬中心，可實現(xiàn)真實海水/河水鹽差梯度下高于300 Wm-2的輸出功率密度。理論模擬研究發(fā)現(xiàn)，孔-孔耦合效應(yīng)在孔間距低至4.5納米時才會發(fā)生，成為高孔密度、低孔間距COF膜材料的獨特特征，為新型鹽差能轉(zhuǎn)化材料的計提供了全新的理論支撐。 

　　 研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（B類）等的支持。

　　單分層COF膜低孔間距的強(qiáng)孔-孔耦合效應(yīng)用于鹽差能轉(zhuǎn)化。（a）單層COF膜的合成及孔結(jié)構(gòu)；（b）單層COF膜的厚度；（c、d）有序孔結(jié)構(gòu)表征；（e）鹽差能轉(zhuǎn)化性能；（f、g）孔-孔耦合效應(yīng)的理論模擬