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第一作者：Jiadong Tang, Yun Wang

通訊作者：張倩倩、鄭子龍、顧一帆

通訊單位：北京工業大學

論文速覽

從商業化和環境可持續性的角度來看，基于天然豐富粘土的二維納米流體是在海洋和河流之間獲取滲透能量的良好候選材料。

本研究開發了一種全天然二維納米流體（2D-NNF）裝置，它基于豐富的天然粘土礦物和纖維素納米纖維，用于高效地從海水和河水之間的鹽度梯度中收獲滲透能。2D-NNF通過堆疊的蒙脫石納米片和交織的纖維素納米纖維形成堅固而高效的滲透能發電器。

這些納米流體學通道具有豐富的表面和空間負電荷，有助于陽離子的選擇性和快速跳躍傳輸。在模擬海水和河水濃度梯度條件下，2D-NNF實現了約8.61 W/m2的滲透功率輸出，高于其他報道的二維納米流體學裝置。

生命周期評估（LCA）顯示，與主流二維納米流體學相比，2D-NNF在資源消耗、溫室氣體排放和生產成本方面具有顯著優勢，展現了大規模高效滲透能發電的良好可持續性。

圖文導讀

圖1：全天然2D納米流體學（2D-NNF）的組裝示意圖，包括天然蒙脫石（MMT）和天然纖維素納米纖維（CNFs）組裝成大面積2D-NNF膜的過程

圖2：2D-NNF的跨膜離子傳輸特性。

圖3：滲透能發電性能。

圖4：離子依賴的滲透能發電。

圖5：面向實際應用的大規模2D-NNF滲透能發電。

圖6：資源、環境和技術經濟分析。

總結展望

本研究開發的全天然2D-NNF通過利用天然粘土礦物（蒙脫石）和天然纖維素（CNFs），實現了工業級以上高效的藍色滲透能收集。2D-NNF的MMT基底與CNF交織器之間的互鎖結構為所獲得的膜提供了高機械強度，有利于滲透能發電長期穩定。MMT和CNFs上豐富的負電荷也在納米層間通道中產生了強電場，促進了陽離子的選擇性和快速傳輸，從而實現了高效滲透能收獲。

作為滲透能發電器，2D-NNF能夠在模擬的海水和河水之間產生高達8.61 W/m2的最大功率，遠高于已報道的2D納米流體學裝置。當2D-NNF的面積擴大到700cm²時，從膜的不同區域選擇的不同測試點仍然能夠展現出高功率密度的發電（約8.36 W/m2）和長期穩定性（超過30天）。

更重要的是，資源、環境和技經分析進一步表明，與基于GO和MXene的膜相比，2D-NNF的生產過程顯著減少了資源消耗（1/14）、溫室氣體排放（1/9）和生產成本（1/13）。這項工作通過利用可持續的原材料，推進了全天然2D納米流體學在藍色滲透能收獲中的大規模應用，并在離子篩選和海水淡化方面展現出巨大潛力。

文獻信息

標題：All-natural 2D nanofluidics as highly-efficient osmotic energy generators

期刊：Nature Communications

DOI：10.1038/s41467-024-47915-z

原創文章，作者：計算搬磚工程師，如若轉載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2024/05/02/6051768dd1/

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