屈治国等在纳米通道离子迁移束缚机制方面取得重要进展

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纳米通道离子输运具有与体相溶液迥异的离子动力学行为，广泛存在于可再生能源发电、超级电容器储能和离子筛分等领域。渗透能量转换利用纳米通道离子选择性定向迁移，将海水/河水盐度差驱动下的离子净通量直接转换为电能，具有无运动部件、无噪音、无碳排放等优点。渗透能量转换的输出性能受纳米通道、离子种类和溶液性质等因素影响，有必要提出原子尺度的理论框架，综合考虑通道尺寸、离子共存和溶液环境等要素，阐明微观离子动力学行为与宏观发电性能之间的关系。
        近日，西安交通大学能源与动力工程学院热流科学与工程教育部重点实验室屈治国教授团队，提出了刻画纳米通道离子迁移束缚机制的界面绑绳理论。作者首先开展了基于氧化石墨烯膜的渗透能量转换实验（如图1所示），发现高浓度侧使用天然多组分海水（0.61 M MS）时的输出功率密度低于使用人造海水（0.50 M或0.61 M NaCl），表明多组分海水中的多价阳离子对发电性能存在抑制作用。

图1 渗透能量转换实验与输出功率密度

        作者受此实验结果启发提出了界面绑绳理论（如图2所示），从原子尺度刻画了阳离子与通道壁面之间的三种绳索束缚机制：基于离子溶剂化壳的直接连接、基于界面氢键的间接连接、以及基于离子-壁面静电作用的强化连接，连接各绳索的绳结则包括阳离子周围的溶剂化水分子和表面官能团原子。进一步开展第一性原理模拟，从水合离子构型、电荷分布和阳离子扩散率等方面验证了该理论的有效性并揭示了实验现象的底层机理。阳离子溶剂化结构重整、界面氢键网络重构以及阳离子-壁面静电吸引作用三种因素共同束缚了通道内的离子运动，使得通道内的阳离子扩散率低于体相溶液，并且二价阳离子扩散率低于单价阳离子。将通道内溶液混合后，所有阳离子的扩散性能都进一步降低。作者还将所提出的理论用于指导浓度梯度、酸碱度和温度调控下的实验性能提升，实现了8.52 W/m²的输出功率密度。该工作将实验、理论和模拟相结合，揭示了受限空间内离子与带电壁面的相互作用机理，可促进渗透能量转换和其它纳米流体技术的发展。

图2 界面绑绳理论内涵与第一性原理验证

        该研究成果以《界面绑绳理论及其在渗透能量转换中的应用》（Interfacial binding rope theory of ion transport in sub-nanochannels and its application for osmotic energy conversion）为题发表在能源领域国际顶级期刊《纳米能源》（Nano Energy）上。西安交通大学能源与动力工程学院博士生刘倩和王强为论文共同第一作者，屈治国教授为通讯作者。研究工作得到了国家自然科学基金的资助。
        论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108545
         屈治国教授主页：https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/zgqu
         


        文章来源：西安交通大学
        屈治国，1978年2月出生，教授，博士生导师。1999年获西安交通大学学士学位，2005年获得西安交通大学工程热物理博士学位并留校任教；2006年2-8月在美国先进传热公司(Advanced Heat Transfer)做访问学者开展小型紧凑相变换热器联合研究，2008年聘为副教授、2012年破格聘任为教授，2013年9月-2014年3月在美国The Pennsylvania State University作为国家公派访问学者，从事热量传递的微观机制研究。近几年来，主持科研项目40余项，其中包括纵向课题20项，以及中海油、中广核、青岛海尔、志高空调、中兴等大型企业课题20多项。主持纵向课题主要包括：国家杰出青年科学基金、国家重点研发计划项目、国家优秀青年科学基金、国家973项目课题、国家自然科学基金重点项目（合作主持）、国防科技重大专项基础研究子课题3项、全国百篇优秀博士论文专项基金、教育部新世纪优秀人才支持计划，广东省教育部产学研结合项目、省部级纵向项目4项。