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  “濃度極化”問(wèn)題的存在，限制了傳統(tǒng)反向電滲析膜的性能和應(yīng)用�？茖W(xué)家研制出一種新型多相不對(duì)稱(chēng)膜，很好地解決了該問(wèn)題，從而大幅提高膜的整流率和能量收集，其未來(lái)應(yīng)用前景非常廣闊。


  據(jù)Phys.org報(bào)道，研究人員已經(jīng)構(gòu)建了一種新型納米多孔膜，這種膜選擇性控制離子通過(guò)的表現(xiàn)非常突出，例如若允許負(fù)離子通過(guò)，那么正離子的通過(guò)將會(huì)受到阻隔。為了闡明這種膜的一項(xiàng)可能的應(yīng)用，研究人員把膜制成能量轉(zhuǎn)換裝置，這種裝置通過(guò)分開(kāi)正負(fù)帶電粒子而收集能量。這項(xiàng)技術(shù)與反向電透析非常相似，但是該膜結(jié)構(gòu)克服了一直存在于傳統(tǒng)反向電滲析的一項(xiàng)不足，從而提高了產(chǎn)能。

  中科院的科學(xué)家張震（音）和聞利平以及他們的合著人在近期出版的《美國(guó)化學(xué)協(xié)會(huì)期刊》上發(fā)表了關(guān)于這種新型膜的文章。

  研究人員將這種新型膜稱(chēng)為“工程改造的多相不對(duì)稱(chēng)膜”�！肮こ谈脑臁敝傅氖�，將使用在活體器官上的易碎性細(xì)胞膜進(jìn)行改性，使其變得牢固耐用；“不對(duì)稱(chēng)”是因?yàn)樵撃蓚?cè)對(duì)離子的篩選有所不同；“多相”是因?yàn)槟蓚?cè)是由不同的材料組成，這里研究人員使用了兩種高分子材料：嵌段共聚物（BCP）和聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）。雖然并不是所有不對(duì)稱(chēng)膜都是多相的，但是相比于使用單一材料制造的不對(duì)稱(chēng)膜，多相膜擁有一些絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，比如易于制造以及擁有極強(qiáng)的多功能性。

  這種新型膜最大的特點(diǎn)就是，它能在一個(gè)方向增強(qiáng)離子的通過(guò)而在相反的方向上阻止其通過(guò)。因此，在離子的通透方向上能產(chǎn)生非常大的電流，而反方向上基本上沒(méi)有電流流過(guò)膜，這被稱(chēng)為“離子電流整流”。這種新型膜的整流率大約為1075，這比迄今為止報(bào)道過(guò)的最高整流率高出一倍多。整流率表明了電荷流的非對(duì)稱(chēng)性，這是由新型膜的不對(duì)稱(chēng)（包括化學(xué)不對(duì)稱(chēng)、幾何不對(duì)稱(chēng)和電荷不對(duì)稱(chēng)）引起的，使得新型膜在多種應(yīng)用領(lǐng)域都有極大的吸引力。

  聞利平告訴Phys.org，“在控制電子傳輸方面，新型膜的表現(xiàn)與半導(dǎo)體二極管的機(jī)理非常相似，同時(shí)新型膜的性能表明它有定向傳輸特定種類(lèi)的分子或離子以及控制它們通過(guò)數(shù)量的能力�！�

  “這種新型膜將會(huì)開(kāi)啟控制液體中分子或離子種類(lèi)的新模式，同時(shí)也表現(xiàn)出了在多個(gè)領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用前景。與半導(dǎo)體電子電路非常相似，高整流率的納米射流二極管是離子電路的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)單元，該結(jié)構(gòu)單元可以調(diào)節(jié)、傳感、濃縮和分離電解質(zhì)溶液中的離子和分子。同時(shí)，在以不對(duì)稱(chēng)膜為基礎(chǔ)的光電能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中，高整流率是希望被看到的，因?yàn)橄喾捶较虻目缒るx子傳輸將會(huì)降低能量密度�！�

  作為一種能量轉(zhuǎn)換裝置，這種新型膜的功能與反向電滲析非常相似，膜兩側(cè)離子濃度的不同（例如，帶負(fù)電的氯離子和帶正電的鉀離子）使得能量得以被收集。在濃度梯度下，氯離子自發(fā)地跨膜擴(kuò)散使得濃度梯度降低，同時(shí)離子擴(kuò)散引起的電流產(chǎn)生能量，這些能量就可以被收集起來(lái)。

  研究人員預(yù)測(cè)，該新型膜每平米可以產(chǎn)生上千瓦特的能量輸出，這與一些商用反向電滲析膜產(chǎn)生的能量相當(dāng)并且有可能超越這些商用膜的產(chǎn)能。為什么該新型膜會(huì)有如此好的表現(xiàn)？研究人員發(fā)現(xiàn)，這種新型膜的不對(duì)稱(chēng)性使得它可以克服干擾傳統(tǒng)反向電滲析膜的“濃度極化”問(wèn)題。“濃度極化”的產(chǎn)生是因?yàn)�，在氯離子濃度較低的一側(cè)，在允許帶正電荷離子通過(guò)的開(kāi)口處，氯離子趨向于聚集在一起，使得這些區(qū)域的氯離子濃度大大高于其在該側(cè)溶液其他區(qū)域的濃度，這就使得跨膜的離子濃度差明顯小于預(yù)期，從而使跨膜擴(kuò)散的氯離子大大減少。

  這種新型膜不僅消除了“濃度極化”的問(wèn)題，并且使得在這些開(kāi)口處的氯離子濃度低于該側(cè)溶液其他部分的氯離子濃度，從而大大促進(jìn)了離子擴(kuò)散。研究人員認(rèn)為，這種現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于膜的不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)和帶有輕微負(fù)電的孔隙造成的，這與傳統(tǒng)膜的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)和帶正電的孔隙恰恰相反。

  聞利平說(shuō)，“當(dāng)這種新型膜被應(yīng)用于鹽度差發(fā)電時(shí)，由于濃度極化問(wèn)題的解決，輸出的能量密度可以極大地增高，這對(duì)于現(xiàn)存的以離子交換膜為基礎(chǔ)的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的發(fā)展起到了指導(dǎo)性作用�！�

  將來(lái)，研究人員希望能夠進(jìn)一步改良這種膜，使得它可以實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域應(yīng)用，如發(fā)電、水凈化和海水淡化等。

  相關(guān)報(bào)導(dǎo)鏈接：http://phys.org/news/2015-11-membrane-energy-harvesting-reverse-electrodialysis.html