針對化石能源等傳統能源帶來的環境、資源等問題，我國已明確提出“碳達峰”、“碳中和”戰略目標，以實現資源高效利用和綠色低碳發展的基礎之上推動經濟社會發展。鹽差能是一種蘊藏于海水、鹵水及高鹽廢水之中藍色清潔能源，由于其豐富的存儲量、可再生性等特點，受到了研究者的廣泛關注。

生物細胞膜中的高效離子傳輸功能為提升鹽差能的回收效率提供了新的靈感。特別是生物離子通道在包括pH、溫度和光等外界刺激的智能響應性離子傳輸，引起了研究者的廣泛興趣。

其中，陽光由于其自然存在范圍廣，以及在照射位置、強度及方向上的獨特靈活性，被認為是一種重要離子傳輸驅動力，以用于離子傳輸過程的精準調控。

盡管目前研究者已經初步證明了利用光照對離子傳輸行為的調控的可能性，然而，實現與在自然陽光下生物通道內快速、高效的選擇性離子傳輸，進而強化鹽差能轉化效率仍是一項極具挑戰性的任務。

基于此，西安建筑科技大學王磊教授、王琎教授、張宇飛副教授通過構建二維異質Ti₃C₂T_x–g-C₃N₄/chitosan（TCC）納米通道，實現了光電/光熱效應的耦合，從而實現了高效的光響應離子傳輸功能。

一方面，在光照下，光激發電荷載電子由g-C₃N₄/chitosan向Ti₃C₂T_x擴散，在納米流體通道中形成內建電場從而促進了離子的自發遷移。此外，得益于Ti₃C₂T_x的光熱轉換特性，在納米通道內也形成了溫度場，進一步增強了離子傳輸的驅動力。

在此基礎上，即使在自然陽光下也能實現離子的主動擴散。作者還使用耦合泊松-內爾斯特-普朗克理論、愛因斯坦-斯托克斯理論的數值模擬以及密度泛函理論（DFT）計算，從理論層面對光響應離子輸運的機制進行了驗證。

在離子能回收應用方面，在光照射的幫助下，不但可以有效獲取傳統鹽度梯度系統中的滲透能，還可以在無濃度差系統中成功地將離子能轉化為電能。該工作為設計用于太陽能、離子能向電能轉換的光響應納米通道提供了參考。

本論文工作以Ti₃C₂T_x和g-C₃N₄/CTS納米片為構筑單元獲得二維TCC異質膜，系統研究了Ti₃C₂T_x和g-C₃N₄/CTS均質膜的離子傳輸特性，以及Ti₃C₂T_x、g-C₃N₄/CTS和TCC膜在光激發下產生的電流、數值模擬離子在納米通道中的傳輸現象，分別分析了Ti₃C₂T_x和g-C₃N₄/CTS光效應機理，探討離子能回收方面的應用，確認了光驅動離子傳輸不僅可提高傳統鹽度梯度系統中回收離子滲透能的效率，而且在無鹽度差條件下，也可實現離子能的有效回收，實現光能-離子能-電能的轉化，這些特征為海水、鹽湖鹵水和工業高鹽廢水等提供了可持續利用提供了新的啟示，對環境、能源與資源領域等多個領域均具有重要意義。

Bionic Sunlight-driven Ion Transport in Nanofluidic Channel Enable by Synergistic Photo-electric/thermal Effect. Energy Environ. Sci., 2023, DOI: 10.1039/D3EE00720K

https://doi.org/10.1039/D3EE00720K