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四川大學樊坤/復旦大學孔彪教授等 AM：界面自組裝二維石墨烯基離子通道用于水基綠色電能轉化與收集

2023-11-05 來源：高分子科技

近日，四川大學電氣工程學院樊坤副研究員、復旦大學化學系孔彪教授合作在《Advanced Materials》期刊上發表了題為《Interfacial Assembly of Two-Dimensional Graphene-Derived Ion Channels for Water-Based Green Energy Conversion》的綠色電能轉化與收集的綜述論文。該項工作得到了中科院理化所江雷院士和澳大利亞新南威爾士大學梁康教授的支持與指導。

利用自然界中可持續且綠色的能源可有效解決全球環境污染和能源危機等問題。地球上存在的水吸收了約35%太陽輻射到地球的能量（總量相當于約60拍瓦），使其成為最大的能源儲存庫。相比于傳統的風能和太陽能，水基綠色能源包含多種形態且基本不受時間和空間的限制，其作為全天候日常能源利用展現出較小的波動性。其中，文獻研究已表明全球的鹽差能儲量接近達到~1 TW，但傳統上基于薄膜的反電滲析器件/設備能量轉化效率明顯不足，其主要原因是薄膜內部通道水合離子傳輸的選擇性和滲透性難以平衡。二維石墨烯離子通道（2D-GDIC）對水合離子傳輸將產生納流效應，可高效實現選擇性和滲透性平衡甚至協同提升，從而明顯提升能量轉化效率和電能輸出能力。

圖1. 二維石墨烯離子通道的發展歷史及其綠色電能轉化與收集的應用

圖2. 石墨烯及其衍生物構筑的二維石墨烯離子通道及其綠色電能轉化與應用

因此，基于團隊已有的研究成果，結合近年來2D-GDIC在綠色電能轉化與收集研究方向上報道的主要研究成果，包括鹽差能發電、濕氣發電、水伏發電等，本文對最新研究進展進行了較為全面綜述，具體主要聚焦以下三個方面：1）基于不同石墨烯及其衍生材料的選擇/設計，利用界面自組裝技術構筑不同的2D-GDIC及其離子/分子傳輸行為調控；2）2D-GDIC的功能性（電/磁/光/熱響應等）和服役穩定性（耐溶脹/防污等）；3）2D-GDIC在綠色電能轉化的應用并耦合熱能/光能等增強電能輸出。同時，本文對該領域所存在的問題和未來挑戰提出了自己的理解和展望，比如：①2D-GDIC特殊改性及其幾何結構優化；②單層石墨烯片層納米孔及其集成效應；③2D-GDIC與水合離子相互作用及電能產生微觀機制；④借鑒其它能源轉化領域成熟的研究成果如鋰電池儲能過程離子傳輸調控；⑤與其它系統耦合集成如電解水制氫、電池/電容器儲能、自供電器件等。從而，為實現雙碳目標或新型能源電力系統尋找清潔可持續的新型綠色能源供給路線。

圖3. 二維石墨烯離子通道與其它能量耦合增強綠色電能輸出

圖4. 二維石墨烯離子通道設計、發展方向以及面臨的挑戰

相關研究為2D-GDIC綠色電能轉化與收集的研究與應用奠定了良好的研究基礎。相關工作得到了多項國家自然科學基金和國家重點研發計劃等項目的資助。

文章信息：Kun Fan, Shan Zhou, Lei Xie, Shenli Jia, Lihua Zhao, Xiangyang Liu, Kang Liang, Lei Jiang, Biao Kong. Interfacial Assembly of Two-Dimensional Graphene-Derived Ion Channels for Water-Based Green Energy Conversion. Advanced Materials, 2023

https://doi.org/10.1002/adma.202307849

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（責任編輯：xu）

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