蒙脱石/壳聚糖复合膜用于高效盐差能转换

《Desalination》：Montmorillonite/chitosan composite membranes for efficient salinity gradient energy conversion

　　

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  通过简单且绿色的自组装策略制备了一种二维复合膜。
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  复合改性有效调节了离子渗透行为，并提高了膜的水相稳定性。
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  该膜在模拟水和天然水环境中表现出优异的运行适应性。
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  在50倍超高盐度梯度、有效面积为0.03 mm²的条件下，实现了13.5 W/m²的优异功率密度。

引言

随着全球能源消耗快速增长和碳中和日益紧迫，可再生清洁能源的探索与开发已引起全球广泛关注。盐度梯度能，通常被称为蓝色能源，作为一种有前途的可持续能源来源备受关注[1]、[2]、[3]、[4]。这种能源自然存在于高盐度海水与低盐度淡水的界面处，具有理论储量丰富和生态友好等优势，使其在可持续发电方面前景光明[5]、[6]、[7]、[8]。逆向电渗析（RED）是收获盐度梯度能最具代表性的技术之一，其中离子交换膜作为核心部件，调节离子定向渗透，实现化学势差向电能的转换[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]。然而，传统聚合物基离子交换膜通常存在内部孔结构曲折度高的问题，阻碍了其在高效渗透能转换系统中的实际应用[15]、[16]、[17]。

近年来，二维（2D）纳流膜作为突破传统离子交换膜固有局限性的有前途的候选材料应运而生[18]、[19]、[20]、[21]。带电荷的二维纳米片的层层堆叠可构建出排列有序、超薄的纳米通道，具有空间限域效应。纳米通道内双电层的充分重叠赋予了膜优异的离子选择性，而缩短的离子传输路径则大大增强了离子渗透性。此外，二维纳流膜具有制备路线简便和结构调控灵活的特点，有利于其规模化生产和性能进一步调控[22]、[23]。石墨烯氧化物（GO）[24]、[25]、[26]、[27]、二硫化钼（MoS₂）[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、MXenes[33]、[34]、[35]、[36]、[37]和共价有机框架（COFs）[38]、[39]、[40]、[41]等大量二维纳米材料已被广泛用于盐度梯度能转换研究。然而，目前开发的大多数二维纳流膜仍面临一些挑战，包括合成工艺复杂、材料成本高和结构稳定性差等。这些局限性阻碍了其进一步发展。

在本研究中，我们展示了一种采用典型砖砌结构的蒙脱石（MMT）-壳聚糖（CTS）复合膜（MCCM）的制备，该膜采用简便的方法制备。MMT和CTS分别是一种地壳中丰富的黏土矿物和一种可再生多糖，赋予所得膜低成本和环境相容性的独特优势[42]。尽管已有大量关于MMT-CTS膜制备的研究，但很少有人关注其在盐度梯度发电中的纳流体离子传输性能。在此，我们将这种低成本纳流膜用于渗透能收获。MMT层板中插层的壳聚糖实现了表面电荷和基面间距的双重调节，进一步定制了能量转换输出。系统研究了盐度梯度比、电解质浓度和阳离子类型对离子传输行为和发电性能的影响。在0.5 M/0.01 M KCl浓度梯度下，实现了2.93 W/m²的高功率密度。此外，使用真实天然水样评估了膜的实际能量转换性能，证实了其在真实水环境中的应用前景。本研究为开发用于渗透能转换的高性能二维层状复合膜提供了一条简单且经济的途径。

章节摘要

MMT-CTS复合膜的制备

将蒙脱石（MMT，Nanocor）粉末加入去离子水中，超声处理1小时，然后在室温下磁搅拌72小时，制备浓度为2 mg/mL的均质MMT水分散液。将壳聚糖（CTS，Macklin）粉末在持续搅拌下溶于2 wt%冰乙酸溶液中24小时，获得浓度为4 mg/mL的稳定CTS溶液。随后，将制备好的MMT分散液和

结果与讨论

通过简便的制备路线成功制备了MMT-CTS复合膜。如图1A所示，首先通过超声和剧烈机械搅拌将MMT分散于去离子水中。另外，

CTS溶于含2 wt%冰乙酸的溶液中形成均质聚合物溶液。然后在持续搅拌下混合MMT悬浮液和CTS溶液，制备MMT-CTS复合构建块。该

结论

总之，本研究成功开发了一种基于MMT和CTS的低成本、柔性和独立的二维纳米通道膜，用于高效盐度梯度能转换。MMT（天然二维层状材料）和CTS（低成本生物聚合物）的合理结合克服了传统二维纳流膜成本高和制备复杂等固有局限。优化的MMT-CTS复合膜表现出阳离子传递数在

CRediT作者贡献声明

Wang Yu：初稿撰写、方法论、调查研究、数据整理。Ning Han：验证、数据整理。Lu Qiao：形式分析、数据整理。Ruibin Ding：验证。Boran Gu：调查研究。Qizhang Li：形式分析。Tianliang Xiao：审阅与编辑、指导、资源、项目管理、资金获取、概念设计。

生成式AI和AI辅助技术在写作过程中的声明

在准备本工作期间，作者使用了DeepSeek以改善语言表达和语法。使用该工具后，作者对内容进行了审阅和编辑，并对发表内容的全部责任负责。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢河北省教育厅科学研究项目（编号：QN2026581）提供的资金支持。

Wang Yu|Ning Han|Lu Qiao|Ruibin Ding|Boran Gu|Qizhang Li|Tianliang Xiao