【成果掠影 & 研究背景】

面對全球可持續(xù)能源與資源回收的迫切需求，從海水與淡水的鹽度差中獲取的“藍色”滲透能，被視為一種富有前景的可再生能源。然而，將納米流體系統(tǒng)擴大至實用尺寸以產生足夠功率時，嚴重的濃度極化和電勢降會導致離子選擇性與通量急劇下降，成為商業(yè)化應用的關鍵瓶頸。

為此，研究團隊在《Advanced Materials》上報道了一種新型光響應階梯異質結構納米流體膜。該材料通過整合氧化石墨烯納米層與嵌入二硫化鉬的硫化鎘納米纖維異質結，構建了由原子級I型異質結和肖特基結組成的連續(xù)、超快電子-離子耦合傳輸通道。異質界面產生的納米級局部不對稱電場，有效抑制了濃度極化并抵消了電勢降。在大面積（28 mm2）下，該膜實現了高達49.5%的能量轉換效率（接近50%的理論極限），并表現出332.3的卓越鈉/氯離子選擇性。基于此的滲透能電池在模擬太陽光照射下，可將電能有效儲存于電容器與鋅離子電池中，其容量相比無光照條件提升68.8%。更引人注目的是，該系統(tǒng)能產生高達467.6 μA的離子電流，用于從溶液中近乎100%純度的高選擇性電化學回收金及其他貴金屬，為綠色冶金提供了新思路。

【創(chuàng)新點 & 圖文摘要】

創(chuàng)新點：

• 結構設計創(chuàng)新：成功構建了集I型半導體異質結（CdS/MoS?）與肖特基結（MoS?-CdS/GO）于一體的階梯異質結構，實現了光照下沿CdS→MoS?→GO路徑的定向、連續(xù)電子傳輸，為耦合電子-離子傳輸提供了新范式。

• 性能突破性提升：在高達28 mm2的大面積膜上，實現了49.5%的創(chuàng)紀錄能量轉換效率與332.3的離子選擇性，顯著克服了傳統(tǒng)納米流體放大過程中性能驟降的難題。

• 光增強能量轉換與資源回收一體化：首次將光增強滲透能發(fā)電與高附加值金屬離子（如Au、Ag、Pt）的電化學回收直接耦合，利用產生的離子電流實現了近乎100%純度的金回收，且光照下回收效率提升1.33倍。

• 機理深入闡釋：通過原位XPS、光電測試及Poisson-Nernst-Planck方程模擬，從實驗與理論層面揭示了異質結界面光生電荷分離產生局部電場、從而增強離子選擇性與通量的“光電-離子”轉換機制。

• 系統(tǒng)集成與實用化演示：通過串聯/并聯集成電池單元，靈活調控輸出電壓與電流，成功驅動LED陣列、計時器等多種電子設備，并演示了將滲透能存儲于商業(yè)鋅離子電池的完整循環(huán)，展示了其作為可持續(xù)電源的實用潛力。

• 優(yōu)異的穩(wěn)定性與普適性：膜材料在30天內保持結構和功率輸出穩(wěn)定，并在寬pH范圍（3-10）及不同鹽溶液（NaCl、KCl）中均表現出高性能，展現了良好的環(huán)境適應性。

Figure 1: CHS-NFs的制備與結構表征。

Figure 2: CHS-NFs的光電-離子轉換行為。

Figure 3: CHS-NFs的光增強滲透能轉換性能。

Figure 4: 光增強滲透能轉換的機制分析。

Figure 5: 面向金屬離子回收的光增強滲透能轉換應用。

【總結 & 原文鏈接】

本研究成功開發(fā)了一種具有階梯異質結構的光響應納米流體膜，通過精心設計的異質結界面工程，產生了能抑制濃度極化與電勢降的納米級局部不對稱電場，從而在大面積下同時實現了接近理論極限的能量轉換效率與極高的離子選擇性。這項工作不僅提供了高性能的滲透能收集方案，更通過光增強策略，將可持續(xù)發(fā)電與高純度貴金屬回收創(chuàng)新性地結合，構建了一個“能源-資源”協(xié)同回收的集成系統(tǒng)。該成果為下一代高效、多功能的納米流體能源轉換與資源回收技術奠定了堅實基礎，展示了在碳中和背景下實現藍色能源利用與綠色冶金減碳的雙重潛力。

原文鏈接: https://doi.org/10.1002/adma.202519133

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