新型 COF-TpTag/PAN 膜：高效转化多种能源的创新之选

为解决能源危机，研究人员开发 COF-TpTag/PAN 膜用于能源转换，该膜性能优异，意义重大。

　　

创新膜材料开启能源转换新篇章

在生命的微观世界里，离子如同忙碌的 “小邮差”，在生物系统中承担着电荷运输的重任，对细胞活动至关重要。生物离子通道凭借着独特的 “智慧”，能高效且有选择性地运输离子，实现生物电信号的传递，这一过程就像精密的电路传导，确保生命活动有条不紊地进行。

放眼全球能源领域，情况却不容乐观。水体间盐度梯度蕴含着巨大能量，就像沉睡的 “能源巨人”，等待人们去唤醒；同时，全球超过 30% 的初级能源在消耗过程中以低品位热能的形式浪费掉，这无疑是一种巨大的资源损失。在能源危机和环保压力日益严峻的当下，如何有效利用这些被忽视的能源，成为科研人员亟待攻克的难题。

受大自然神奇机制的启发，科研人员将目光投向了模仿生物离子通道结构和功能的纳米流体系统。在这个领域，离子交换膜一直是基于反向电渗析（RED）离子能量转换的基础。然而，传统离子交换膜存在诸多缺陷，比如孔隙不连续、厚度大（常达数百微米），这些 “短板” 严重阻碍了离子的高效运输，导致电阻增大、离子通量降低，就像道路崎岖难行，车辆行驶缓慢。

为了突破这些瓶颈，[第一作者单位] 的研究人员开展了一项极具创新性的研究，旨在开发一种性能卓越的离子膜，用于高效的能源转换。最终，他们成功制备出一种化学性质稳定、孔径为亚纳米级的离子 COF-TpTag/PAN 膜。这一成果意义非凡，相关研究发表在《Advanced Membranes》上，为能源转换领域带来了新的希望。

研究的技术 “利器”

研究人员在探索过程中，巧妙运用了多种关键技术。在膜制备方面，采用界面聚合法，在聚丙烯腈（PAN）超滤膜上成功合成 COF-TpTag 层。通过精心设计的扩散细胞，让不同溶液在特定条件下发生反应，从而构建出理想的膜结构。

在性能测试环节，运用多种电化学测试技术深入探究膜的性能。利用对称 H 型电化学电池，结合 Goldman–Hodgkin–Katz（GHK）方程，精确评估跨膜离子迁移率；通过测量不同浓度 KCl 溶液间的离子电流，计算膜的迁移数和离子电导率；借助特定的电化学工作站，测定开路电压（Voc）、短路电流（Isc）等关键参数，进而评估膜在不同能源转换场景下的性能。

研究结果大揭秘

1. 膜的合成与特性剖析：研究人员首先对合成条件进行优化，通过液 - 液界面聚合制备出独立的 COF 膜。在这个过程中，合适的溶剂和催化剂选择至关重要。最终合成的膜展现出高结晶度，经 GIWAXS 检测，有明显的面内和面外反射。扫描电子显微镜（SEM）成像显示，独立的 COF-TpTag 膜结构光滑、连续且无针孔，厚度为 260nm。进一步分析其孔结构发现，沿 c 轴方向孔径约为 0.75nm。

为了提升膜的可加工性，研究人员在 PAN 支撑体上生长 COF-TpTag 层。这种复合膜同样表现出色，SEM 显示其与 PAN 支撑体紧密结合，厚度约为 39nm。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）证实了 β - 酮烯胺键的形成，小角 X 射线散射（SAXS）分析也表明复合膜保留了结晶结构。2. 跨膜离子运输的奇妙之旅：研究人员通过漂移 - 扩散实验，深入探究离子在 COF-TpTag/PAN 膜中的运输行为。在实验中，利用不同浓度的电解质溶液在膜两侧形成浓度梯度，观察离子电流变化。结果发现，该膜在离子运输方面展现出独特的选择性。对于单价阳离子盐，膜主要促进阳离子运输，而对于多价阳离子盐，则更倾向于促进阴离子运输。通过 GHK 方程计算得出，单价盐的阳离子与阴离子迁移率比值在 5.82 - 26.4 之间，多价阳离子盐的该比值则明显较低，在 0.26 - 0.41 之间。

研究人员还发现，膜的离子选择性会随着溶液中阳离子种类的变化而改变。在没有多价阳离子时，膜优先选择单价阳离子（K+、Na+、Li+、H+）运输；而当存在多价阳离子（Mg2+、Ca2+、Al3+）时，膜的离子选择性会转向阴离子。这种特殊的离子运输行为源于膜与离子之间的相互作用，如膜框架与阴离子之间的强氢键作用，以及膜对多价阳离子的尺寸筛分效应。

此外，研究人员通过改变 KCl 溶液的浓度梯度进行实验，发现膜的短路电流（Isc）和开路电压（Voc）随浓度梯度增加而增加，表明膜具有很强的选择性。膜的阳离子迁移数（t+）在浓度梯度高达 5000 时仍能达到 0.9，处于高性能膜的行列。通过测量跨膜离子电导率，研究人员发现其随 KCl 浓度降低而减小，且在 100mM 浓度处出现明显转变，这种行为符合可变表面电荷模型，进一步证实膜的选择性源于带电物种的吸附。3. 混合能源收集的卓越表现：基于纳米流体学的理论，研究人员探究了 COF-TpTag/PAN 膜在混合能源收集方面的性能。在渗透能收集实验中，以工业废水中的质子梯度为研究对象，传统膜因化学稳定性不足难以胜任，而 COF-TpTag/PAN 膜凭借其出色的稳定性和对各种酸的高选择性，展现出巨大的优势。

实验结果令人惊喜，该膜在不同酸性溶液（HCl、H2SO4、H3PO4）中均能实现高效的渗透能转换。在H2SO4溶液中，膜的表现最为突出，峰值功率密度可达 97.1 W m?2。这得益于质子作为主要电荷载体，以及SO42?较高的电荷密度增强了膜对H+的选择性。同时，膜在至少十次循环测试中表现出良好的稳定性，其形态和结晶度在循环后依然保持完整。

除了酸性废水，研究人员还对盐废水进行了研究。以 KCl 和 NaCl 溶液模拟不同场景，该膜在模拟河口条件下（0.01M || 0.5M NaCl 溶液），最大输出功率密度可达 57.4 W m?2，并且在至少五次循环中保持稳定。

在热电响应研究中，研究人员发现温度梯度能显著提升膜的跨膜电位和离子电导率。通过加热稀溶液引入温度梯度，研究人员对膜的热电转换性能进行评估。实验结果显示，在 NaCl 浓度梯度为 50（0.01M || 0.5M）的情况下，随着温度梯度的增加，开路电压（Voc）和短路电流（Isc）呈现线性增加。当温度梯度为 10K 时，输出功率密度从 57.4 W m?2提升至 66.1 W m?2；当温度梯度增加到 30K 时，功率密度进一步提升至 91.4 W m?2，同时内部电阻降低，能量转换效率从 20% 提高到 36%。这一系列结果充分展示了 COF-TpTag/PAN 膜在混合能源转换领域的巨大潜力。

研究成果的璀璨光芒

研究人员成功开发的 COF-TpTag/PAN 膜，为能源转换领域带来了新的曙光。该膜在多种电解质（包括强酸）中，即使在较大盐度梯度下，仍能保持高选择性。在反向电渗析（RED）装置中，它能高效地从酸性废物中提取质子梯度能，同时在模拟河口条件下也展现出优异的渗透能提取性能。此外，当引入温度梯度时，其能源转换效率显著提升。

更为重要的是，该膜在高酸性和高盐度等恶劣环境中表现出卓越的稳定性，这为其在长期混合能源收集应用中的广泛使用奠定了坚实基础。随着研究的不断深入，COF 膜有望模仿生物离子通道的功能，为可持续能源转换和利用提供创新、高效的解决方案，在各种复杂环境条件下发挥重要作用，助力全球能源问题的解决。