生物启发氨基酸促进层状蛭石基纳米流体膜离子传输与能量转换研究

为解决传统纳米流体膜离子电导率和选择性不足的问题，研究人员受生物蛋白通道启发，将甘氨酸（Glycine）引入层状蛭石（Vr）膜中，开发出Vr-Gly复合膜。该膜通过调控表面电荷密度和空间电荷分布，使离子电导率提升1.8倍，渗透能转换功率密度达3.0 W m-2，为低成本、高性能纳米流体膜设计提供了新思路。

　　

在全球能源转型的背景下，渗透能（Osmotic energy）作为一种新兴的可再生能源，因其利用海水与河水盐度差发电的潜力备受关注。然而，传统离子交换膜和半透膜存在成本高、易腐蚀、离子选择性差等问题，严重限制了其实际应用。近年来，二维（2D）纳米流体膜因其有序的纳米通道结构和可调控的表面电荷特性，成为解决上述问题的突破口。但如何在不破坏纳米通道结构完整性的前提下提升离子传输效率，仍是领域内亟待解决的难题。

受生物蛋白通道利用氨基酸小分子实现高效离子传输的启发，研究人员创新性地将甘氨酸（Glycine）引入天然层状蛭石（Vermiculite, Vr）膜中。通过真空辅助过滤法构建的Vr-Gly复合膜，不仅保留了蛭石的层状结构，还通过甘氨酸分子在三个不同位点（纳米通道空隙、表面吸附和层间插层）的分布，协同调控了表面电荷密度和空间电荷分布。实验表明，该膜的离子电导率（5.3×10^-3 S cm^-1）较纯蛭石膜提升1.8倍，离子选择性（阳离子迁移数差达0.78）显著增强。在模拟海水/河水盐度梯度（50倍）条件下，其功率密度达3.0 W m^-2，较传统膜提升2倍，且展现出优异的稳定性。

研究团队采用真空辅助过滤法（Vacuum-assisted filtration）制备Vr-Gly膜，结合X射线光电子能谱（XPS）和原子力显微镜（AFM）分析甘氨酸分布，通过电化学工作站（Gamry Interface 1010E）测试离子传输性能，并利用密度泛函理论（DFT）计算氨基酸吸附能。

3.1 材料制备与微观结构
通过两步离子交换法剥离蛭石纳米片，与甘氨酸混合后真空过滤成膜。透射电镜（TEM）和原子力显微镜（AFM）证实纳米片为单晶结构（厚度~3 nm），X射线衍射（XRD）显示甘氨酸主要分布于纳米通道而非层间（图1）。

3.2 纳米流体离子传输行为
电流-电压（I-V）曲线表明Vr-Gly膜在低盐浓度（<10^-4 mol L^-1）下呈现表面电荷主导的纳米流体效应，离子电导率较纯Vr膜提升1.8倍（图2）。甘氨酸的简单分子结构（空间位阻小）是关键，而缬氨酸（Valine）改性膜性能反而下降。

3.3 渗透能转换性能
在0.5/0.01 mol L^-1 KCl梯度下，Vr-Gly膜最大功率密度达3.0 W m^-2（内阻30 kΩ），转换效率约30%，且连续4天性能无衰减（图3）。

3.4 作用机制解析
XPS分析揭示甘氨酸通过三种方式增强离子传输：填充纳米通道空隙（位点i）、表面吸附形成-NH₃⁺/-COO^-电荷对（位点ii）及层间插层（位点iii）。DFT计算表明甘氨酸吸附能最低（-1.02 eV），利于静态电荷调控（图4）。

该研究首次系统阐明了氨基酸小分子在纳米流体膜中的多尺度作用机制，突破了传统“宿主-客体”材料尺寸不匹配的局限。通过仿生策略将低成本甘氨酸（成本<4元/m²）与天然蛭石结合，不仅实现了高性能渗透能转换，还为抗生物污染、环境友好的纳米流体膜设计提供了新范式。未来通过优化氨基酸种类（如避免高负载下副产物生成）和插层效率，有望进一步推动该技术的实际应用。论文发表于《Green Energy》，由Fang Song、Di Zhang等共同完成。