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齊魯工大/山東省科學(xué)院王振教授團(tuán)隊(duì) AFM：利用“自下而上”策略合成類細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的抗膨脹水凝膠用于滲透能收集
2025-03-27  來(lái)源：高分子科技

  能源轉(zhuǎn)型背景下，滲透能技術(shù)以其環(huán)境適應(yīng)性與高效能轉(zhuǎn)化特性成為清潔能源研究前沿，其中反向電滲析（RED）的核心突破點(diǎn)在于離子選擇性膜的性能優(yōu)化。盡管二維膜技術(shù)持續(xù)發(fā)展，但制備復(fù)雜度與成本問(wèn)題仍阻礙其規(guī)；瘧(yīng)用。研究表明，三維網(wǎng)絡(luò)聚電解質(zhì)水凝膠通過(guò)帶電單體構(gòu)建的多孔架構(gòu)，兼具高離子選擇性與低成本優(yōu)勢(shì)，顯著推進(jìn)滲透能技術(shù)實(shí)用化進(jìn)程。該材料雖存在過(guò)度親水引發(fā)的膨脹形變問(wèn)題，導(dǎo)致機(jī)械/電化學(xué)性能衰退，但通過(guò)雙網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、疏水改性及物理交聯(lián)等協(xié)同策略已實(shí)現(xiàn)體系穩(wěn)定運(yùn)行，證實(shí)其長(zhǎng)期收集滲透能的工程可行性。進(jìn)一步簡(jiǎn)化制備工藝并強(qiáng)化環(huán)境兼容性，將成為該材料產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵突破方向。


圖1 CMC-pAA-DLS凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型


  近期，齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院王振教授團(tuán)隊(duì)合成了一種新型植物質(zhì)基水凝膠，用于滲透能收集。該水凝膠從植物細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，通過(guò)“自下而上”的策略將木質(zhì)素與纖維素組合形成具有類細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的植物質(zhì)水凝膠。CMC-pAA-DLS凝膠不僅通過(guò)對(duì)環(huán)境友好的植物質(zhì)材料模擬出的植物細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)來(lái)使其在工作環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定使其溶脹率僅有0.385，而且實(shí)現(xiàn)了10.10W·m-2的滲透能輸出功率密度(遠(yuǎn)高于5 W·m-2的商業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn))以及有著高達(dá)99.10%的離子選擇性。CMC-pAA-DLS凝膠于滲透能收集領(lǐng)域展現(xiàn)出較高的性能優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中更是有著巨大的潛力在促進(jìn)綠色材料的高效運(yùn)用方面，為相關(guān)研究開(kāi)辟了新的路徑，提供了更為廣闊的思考方向。


圖2 改性木質(zhì)素磺酸鈉與CMC-pAA-DLS凝膠的合成。


圖3 (a) CMC-pAA-DLS水凝膠圖像；(b) CMC-pAA-DLS水凝膠的SEM圖像；(c) CMC-pAA-DLS水凝膠的接觸角；(d)溶劑交換前后應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(e)木質(zhì)素磺酸鈉（LS）、炔化木質(zhì)素磺酸鈉（ALS）和雙鍵木質(zhì)素磺酸鈉（DLS）的FTIR光譜；(f)不同組分水凝膠的溶脹質(zhì)量和溶脹比；(g)不同組分水凝膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(h)不同組分水凝膠的ATR-FTIR光譜；(i)溶劑交換前后CMC-pAA-DLS水凝膠的XRD譜圖。


圖4  CMC-pAA-DLS水凝膠中的離子輸運(yùn)調(diào)控。(a)離子輸運(yùn)通道微觀結(jié)構(gòu)示意圖；(b)單離子通道加速陽(yáng)離子通道示意圖；(c) CMC-pAA-DLS水凝膠前驅(qū)體溶液的Zeta電位。(d)用電路仿真原理圖說(shuō)明開(kāi)路電壓的組成；(e) 10-100倍NaCl濃度梯度下的陽(yáng)離子選擇性和能量轉(zhuǎn)換效率；(f) CMC-pAA-DLS水凝膠在0.5 M NaCl溶液（陽(yáng)離子等效常數(shù)Na/Cl=28/17）中浸泡6 h后表面Na原子和Cl原子的掃描電子能譜圖；(g) 0.01/0.5 M NaCl正、反向濃度梯度下CMC-pAA-DLS的C-V曲線；(h)不同離子電解質(zhì)在50倍濃度梯度下的水凝膠輸出功率密度。


圖5 CMC-pAA-DLS基水凝膠的滲透能輸出性能。(a)滲透能輸出裝置示意圖；(b)不同組分水凝膠的滲透能輸出功率密度；(c)不同木質(zhì)素含量CMC-pAA-DLS水凝膠的滲透能輸出功率密度；(d)不同CMC含量CMC-pAA-DLS水凝膠的滲透能輸出功率密度；(e)不同厚度CMC-pAA-DLS水凝膠的C-V曲線；(f) CMC-pAA-DLS凝膠連續(xù)運(yùn)行2500秒的V-T曲線；(g)不同試驗(yàn)區(qū)下的最大輸出功率密度；(h)不同鹽度梯度下滲透能輸出功率密度；(i)真實(shí)海水/湖水與實(shí)驗(yàn)室模擬海水功率密度對(duì)比。


  相關(guān)研究成果以“Synthesis of Mimicking Plant Cell Wall-Like Anti-Swelling Hydrogels Based on a “Bottom-Up” Strategy and Their Application in Osmotic Energy Harvesting”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials（2025, 10.1002/adfm.202502946）期刊上。齊魯工業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院研究生張卓文為第一作者，齊魯工業(yè)大學(xué)王振教授和復(fù)旦大學(xué)研究生王心睿為共同通訊作者。本文作者感謝山東省自然科學(xué)基金；中國(guó)民航大學(xué)省部級(jí)科研院所高校開(kāi)放式合作基金；自然科學(xué)基金；濟(jì)南市科技局項(xiàng)目的資助支持。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202502946

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