該系統(tǒng)利用超薄金屬層控制水中的離子流動(dòng)。

科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)出一種革命性解決方案，通過制造一種無需依賴機(jī)械系統(tǒng)或化學(xué)反應(yīng)即可在水中傳輸離子的薄膜，有望重塑海水淡化和水凈化領(lǐng)域。這支國際研究團(tuán)隊(duì)（包括德國亥姆霍茲蓋斯特哈赫特材料與海洋研究中心的科學(xué)家）推出了一種新型離子泵，該泵利用多孔膜兩側(cè)的超薄金屬層來控制帶電粒子的運(yùn)動(dòng)。與依賴高能耗反應(yīng)的傳統(tǒng)電化學(xué)系統(tǒng)不同，這種方法采用快速電開關(guān)來促進(jìn)離子流動(dòng)。

“這項(xiàng)工作引入了一種新方法，通過利用納米多孔材料中的棘輪機(jī)制，在水體中實(shí)現(xiàn)持續(xù)的離子傳輸，”位于德國泰爾托的亥姆霍茲可持續(xù)功能材料研究所所長(zhǎng)弗朗西斯卡·托馬博士指出。

更智能的水凈化

這項(xiàng)創(chuàng)新代表了基礎(chǔ)電化學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)重大進(jìn)展。據(jù)報(bào)道，它基于一種簡(jiǎn)單的物理效應(yīng)。當(dāng)施加低電壓并快速開關(guān)時(shí)，金屬界面會(huì)經(jīng)歷反復(fù)的充放電循環(huán)。這一過程中的微小不平衡產(chǎn)生可控的離子流，從而在無需化學(xué)反應(yīng)或活動(dòng)部件的情況下有效泵送離子。這是該效應(yīng)首次被用于離子傳輸。

“控制離子在液體中的運(yùn)動(dòng)對(duì)于許多技術(shù)和生物過程至關(guān)重要，”研究人員強(qiáng)調(diào)道。

為了展示該方法的潛力，研究團(tuán)隊(duì)將該膜集成到一個(gè)緊湊的海水淡化系統(tǒng)中。在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，該設(shè)備能在極低電壓下運(yùn)行，將水中的鹽含量降低高達(dá)50%。重要的是，該系統(tǒng)無需泵、需加壓的過濾器或化學(xué)添加劑，而這些因素通常會(huì)推高現(xiàn)有海水淡化技術(shù)的能耗并增加其復(fù)雜性。

該項(xiàng)目匯聚了來自加州大學(xué)歐文分校、特拉維夫大學(xué)、馬薩諸塞大學(xué)波士頓分校以及勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員。

離子流突破

研究結(jié)果凸顯了該膜在開發(fā)高能效水凈化和海水淡化解決方案方面的潛力。該膜還能通過利用離子在電場(chǎng)作用下行為的細(xì)微差異，實(shí)現(xiàn)同電荷離子的選擇性分離。這可能為從海水中回收鋰、從飲用水中去除重金屬、先進(jìn)的電池回收以及新型診斷和傳感器技術(shù)開辟新途徑。

“除了基礎(chǔ)性的理論見解外，這一概念可能為更節(jié)能的海水淡化和選擇性離子分離開辟新方向，”托馬在新聞稿中表示。

該研究得到了美國國家科學(xué)基金會(huì)、美國能源部、歐洲研究理事會(huì)等主要資助機(jī)構(gòu)的支持，凸顯了跨學(xué)科合作在解決全球水資源挑戰(zhàn)中的重要性。它也展示了跨學(xué)科研究如何為具有高度環(huán)境和社會(huì)相關(guān)性的挑戰(zhàn)提供解決方案。

“看到多年前最初提出的一個(gè)想法，通過國際合作和堅(jiān)持不懈，最終發(fā)展成為一項(xiàng)具有技術(shù)潛力、產(chǎn)生重要影響的科學(xué)成果，這尤其有意義，”托馬總結(jié)道。

該研究已發(fā)表在《自然·材料》期刊上。

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