【儀表網 研發快訊】滲透能源自水體鹽度梯度，是一種儲量巨大且可再生的能源載體，僅河流入海口的年發電潛力即可滿足全球17%的電力需求。反向電滲析技術通過離子選擇膜捕獲鹽差能，其中陰離子選擇性膜通過電極反應將滲透的Cl–轉化為氯化銀沉淀，可維持穩定驅動力，在工業高鹽廢水的人工鹽差利用中展現出“變廢為寶”的獨特優勢。然而，傳統聚合物膜因孔道結構不規則導致傳質阻力高，二維材料受限于復雜擴散路徑與弱層間作用，而現有共價有機框架(COFs)膜則因介孔尺寸偏大、功能化修飾破壞通道有序性等問題，難以實現原子級電荷分布。開發兼具高陰離子選擇性與低傳質阻力的離子膜成為推進該技術實用化的關鍵挑戰。
上海高等研究院“納孔構型分離與能源轉化”科研團隊曾高峰研究員、徐慶副研究員聯合上海大學石國升教授及賓夕法尼亞大學Joseph S. Francisco院士的理論團隊，基于氯離子通道蛋白的啟發，設計出一種具有原子級電荷規則分布的陰離子選擇膜。該研究通過定量骨架電荷工程，精準調控骨架正電荷密度，構建出高電荷、貫通納米通道的自支撐膜材料。在不引入金屬離子及支鏈位阻的前提下，實現了氯離子的高效選擇性傳輸，同時保持通道低傳質阻力。實驗表明，該膜在模擬高濃鹽水梯度(50000倍)下，發電功率密度達240 W m?²，突破商業化閾值近50倍，系統電阻低至5 kΩ，連續穩定運行80小時。相較于傳統聚合物膜(約7 W m?²)及二維材料體系(5-50 W m?²)，其能效提升顯著，為工業高濃鹵水資源化利用與分布式鹽差發電提供了解決思路。
該成果近日以“Quantitative Skeletal-Charge Engineering of Anion-Selective COF Membrane for Ultrahigh Osmotic Power Output”為題發表于《美國化學會志》(J Am Chem Soc, 2025, 147, 15777)。論文第一作者為上海高研院博士生鄭雙、上海大學劉星博士和王春雷教授及上海交通大學博士生歐陽兆鋒，第一單位為上海高研院。研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、上海市及中國科學院等項目支持。
離子傳輸控制是以物理場、材料界面及動態響應機制為調控手段，通過跨尺度干預離子遷移路徑、速率及選擇性，實現離子輸運精準操控的核心技術體系，是連接化學、材料、能源、環境等領域的共性科學節點。“納孔構型分離與能源轉化”科研團隊長期深耕晶態多孔材料的離子限域傳輸控制領域，以新型材料為核心對象，進行材料端系統探索，實現位點動態活化(“點活潑”)、構建低阻傳輸通道(“線通暢”)、優化表界面能壘分布(“面絲滑”)。基于離子傳輸控制的細分場景與多學科應用，在離子截留與快速脫鹽(Nat Water 2023, 1, 800; JACS 2024, 146, 3075; Nat Commun 2017, 8, 825)、離子定向傳輸與電池枝晶抑制(Adv Mater 2024, 36, e2313076; Angew Chem Int Ed 2025, 64, e202417973)、離子吸附與資源回收(Angew Chem Int Ed 2024, 63, e202317015; Angew Chem Int Ed 2024, 63, e20240488)、離/電/質子耦合傳輸與分子電轉化(Nat Commun 2023, 14, 3800; Nat Commun 2024, 15, 1889; Angew Chem Int Ed 2024, e202319247)進行了系統研究。此次提出的“定量骨架電荷工程”策略，通過分子動力學模擬與實驗驗證相結合，揭示了帶電通道骨架與陰-陽離子的靜電相互作用機制，不僅深化了離子限域傳輸控制的理解，也為高性能滲透能膜材料設計提供了支持。(圖/文：鄭雙)
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