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CCS Chemistry 应用光热效应驱动离子定向运输建立渗透能转换新体系

CCS Chemistry 应用光热效应驱动离子定向运输建立渗透能转换新体系

CCS Chemistry是由中国化学会创办的高水平旗舰新刊,面向全球科学家,收录化学各领域高质量原创科技论文。关注CCS Chemistry,即时获取期刊相关资讯。

中国科学院理化技术研究所闻利平研究员课题组报道了基于层状MXene膜的光热驱动离子主动运输行为,并将其应用到光热增强渗透能转换体系。这项工作拓展了光驱动离子主动运输的应用领域,为光响应材料在限域离子可控传输方面的综合应用提供新思路,并进一步开拓了光能在离子富集、脱盐和能量转换等领域的综合应用。

海水和河水的盐度差所产生的渗透能,是绿色可再生的“蓝色能量”。科学家们利用离子选择性膜等技术精确调控定向离子传输,提升渗透能的收集效率。其中,光控离子传输体系引起研究人员的极大兴趣并取得了很大进展。例如通过设计纳流体装置实现了光控离子定向传输并构建了微型渗透能转换系统;利用二维材料的光致电子-空穴分离特性(GO,MoS2,WS2等),构建了一系列光控离子运输系统等。

光热转换是光能利用的另一种重要方式,但目前利用光热效应调控离子运输的研究鲜有报道。因此,阐明光热效应调控离子运输的机理,将会为光能的综合利用以及离子的微尺度操控提供一种新思路。

中国科学院理化技术研究所闻利平研究员课题组利用层状MXene纳流体装置首次研究了光热驱动的离子主动运输行为(图1)。实验发现,对具有阳离子选择性的MXene膜的一侧进行光照时,由于其优异的光热转换性能,在限域通道内形成温度梯度,从而驱动离子定向迁移并产生离子电流。作者通过温差引起的吉布斯自由能变化详细讨论了这一机制:当光照射在MXene膜的一侧时,光照区域的吉布斯自由能随温度升高而降低,未辐照区域的吉布斯自由能保持不变。吉布斯自由能的变化驱动通道内离子的定向扩散并产生离子电流。

为进一步验证所提出的光热驱动离子运输机制,作者基于Poisson-Nernst-Planck (PNP)方程对这一过程进行了仿线)。在模型的三个不同位置分别施加热源可以得到三种不同的净离子迁移分布图。模拟结果表明,在通道的一侧施加热源时,阳离子从低温区域向高温区域运动并产生净电流,这与实验结果一致。

作者进一步将光热驱动的离子主动运输行为引入渗透能转换体系。当光热驱动的离子运输方向与浓差驱动的离子运输方向一致时,体系的能量转换得到增强(图3)。在浓度梯度下(NaCl, CR = 5CL = 0.05 M),光照(~870 mW·cm-2)可以显著提高离子电流。最后,作者验证了光热增强人工海水(0.5 M NaCl)和河水(0.01 M NaCl)之间渗透能转换的可行性,在光热驱动离子运输的辅助下,输出功率密度提高了1.2倍。

该体系利用MXene材料的光热响应性质实现了对光热驱动的离子运输行为的调控,有望应用于光、热探测领域。此外,基于光热驱动离子定向运输提升渗透能转换效率的新策略开拓了外界物理场增强能量转换的新应用场景。论文以research article的形式发表在CCS Chemistry,已在官网“Just Published”栏目上线。

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原标题:《CCS Chemistry 应用光热效应驱动离子定向运输,建立渗透能转换新体系》

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