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北京工業(yè)大學(xué),最新Nature子刊!

北京工業(yè)大學(xué),最新Nature子刊!
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(yè)大學(xué)
論文速覽
從商業(yè)化和環(huán)境可持續(xù)性的角度來(lái)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(fā)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(jiān)固而高效的滲透能發(fā)電器。
這些納米流體學(xué)通道具有豐富的表面和空間負(fù)電荷,有助于陽(yáng)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(shí)現(xiàn)了約8.61 W/m2的滲透功率輸出,高于其他報(bào)道的二維納米流體學(xué)裝置。
生命周期評(píng)估(LCA)顯示,與主流二維納米流體學(xué)相比,2D-NNF在資源消耗、溫室氣體排放和生產(chǎn)成本方面具有顯著優(yōu)勢(shì),展現(xiàn)了大規(guī)模高效滲透能發(fā)電的良好可持續(xù)性。
圖文導(dǎo)讀
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圖1:全天然2D納米流體學(xué)(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
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圖2:2D-NNF的跨膜離子傳輸特性。
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圖3:滲透能發(fā)電性能。
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圖4:離子依賴的滲透能發(fā)電。
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圖5:面向?qū)嶋H應(yīng)用的大規(guī)模2D-NNF滲透能發(fā)電。
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圖6:資源、環(huán)境和技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。
總結(jié)展望
本研究開發(fā)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(shí)現(xiàn)了工業(yè)級(jí)以上高效的藍(lán)色滲透能收集。2D-NNF的MMT基底與CNF交織器之間的互鎖結(jié)構(gòu)為所獲得的膜提供了高機(jī)械強(qiáng)度,有利于滲透能發(fā)電長(zhǎng)期穩(wěn)定。MMT和CNFs上豐富的負(fù)電荷也在納米層間通道中產(chǎn)生了強(qiáng)電場(chǎng),促進(jìn)了陽(yáng)離子的選擇性和快速傳輸,從而實(shí)現(xiàn)了高效滲透能收獲。
作為滲透能發(fā)電器,2D-NNF能夠在模擬的海水和河水之間產(chǎn)生高達(dá)8.61 W/m2的最大功率,遠(yuǎn)高于已報(bào)道的2D納米流體學(xué)裝置。當(dāng)2D-NNF的面積擴(kuò)大到700cm2時(shí),從膜的不同區(qū)域選擇的不同測(cè)試點(diǎn)仍然能夠展現(xiàn)出高功率密度的發(fā)電(約8.36 W/m2)和長(zhǎng)期穩(wěn)定性(超過30天)。
更重要的是,資源、環(huán)境和技經(jīng)分析進(jìn)一步表明,與基于GO和MXene的膜相比,2D-NNF的生產(chǎn)過程顯著減少了資源消耗(1/14)、溫室氣體排放(1/9)和生產(chǎn)成本(1/13)。這項(xiàng)工作通過利用可持續(xù)的原材料,推進(jìn)了全天然2D納米流體學(xué)在藍(lán)色滲透能收獲中的大規(guī)模應(yīng)用,并在離子篩選和海水淡化方面展現(xiàn)出巨大潛力。
文獻(xiàn)信息
標(biāo)題:All-natural 2D nanofluidics as highly-efficient osmotic energy generators
期刊:Nature Communications
DOI:10.1038/s41467-024-47915-z

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