郭维课题组：超越GO -WS2纳流体通道膜中的高效光驱动离子输运

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生命体系中，电能的产生和释放与一系列跨膜离子输运过程相关。一般来说有两个主要部分，其一，是耗能的主动输运 (active transport) 过程，用于实现抗浓度梯度的输运；其二，是将已有的浓度梯度通过选择则性的离子通道进行释放，利用扩散驱动的被动输运过程 (passive transport) 将其转换成为电能。在过去的十年中，对生物电体系的仿生研究，大量集中在如何将化学梯度转换为电能。然而，在完全非生命的 (abiotic) 体系里实现抗浓度梯度的主动输运，是一件非常不容易的事。几乎所有的仿生体系都需要有生物组件的参与，比如蛋白质生物马达，才能够实现抗浓度梯度的输运。

       实现主动输运的主要瓶颈在于，现有的分子输运体系为了实现抗浓度梯度的离子转运，需要分子量是所输运物质成百上千倍的大分子载体 (ion-binding shuttle molecules) 的参与，并且这些载体分子多是基于液态膜或者磷脂膜的。这些特性大大降低了人工输运体系的效率和稳定性，妨害了她的实际应用。2019年初，由中国科学院理化技术研究所郭维研究员(http://www.escience.cn/people/guowei/index.html)领导的研究团队提出了一种开创性的方法，利用从光子到光生载流子，再到离子的耦合输运过程，在完全非生命的材料体系里，利用光照的能量来驱动抗浓度梯度的主动输运过程(Nat. Commun. 2019, 10, 1171)。
       最近，他们利用硫化钨(WS2)优异的光电半导体特性，弥补原有氧化石墨烯(GO)材料的不足，在WS2构成的纳流体通道膜中实现了更为高效、快速的可见光驱动的主动离子输运特性。在同等光照条件下，可以把光电流放大30倍，同时响应速度比GO中快了4-6倍。该研究团队成员认为，这一显著的性能提升，来源于WS2材料优异的光电性质。并且，在他们所用的锂插层法制备的WS2纳米片中，同时含有半导体相(2H)和金属相(1T)两种WS2。半导体相WS2，可以作为更为有效的光吸收天线，产生光生载流子；同时，金属相WS2又可以作为高速的电子通路，实现更为有效的电荷分离。此外，由于单层过渡金属二硫属化合物（TMDs）纳米片所具有的三原子层结构，与基于石墨烯家族的二维材料相比，WS2/MoS2/WSe2这类材料的二维纳米片结构上具有更强的刚性。因此，将他们组装成纳流体通道膜的时候，膜电阻会大大降低，实现更为有效的光能-离子能的转换(light energy to ionic power)。 该研究团队成员认为，这项工作打开了一扇探索液相可处理胶体二维材料光电性质的大门，其后有更为广阔的空间，值得探索，值得期待 (There is tremendous room to further exploit the photo-responsiveness of existing liquid processable colloidal 2D materials)。此外，这种由他们提出的光子-光生载流子-离子的耦合输运机制(coupled photon-carrier-ion transport mechanism)目前还处于成长阶段，需要未来经由更多的实验和理论工作来进行检验和提升。相关论文在线发表在 Small (DOI: 10.1002/smll.201905355)上。


        二硫化钨（Tungsten disulfide），分子式为WS2，分子量为247.97。为灰色带金属光泽的细小结晶或粉末，属于六方晶系，有半导体性和抗磁性。天然矿物为辉钨矿。层状结构，易解离，有与石墨类似的润滑性质。用作润滑剂，如用于气溶胶。二硫化钨是钨和硫的化合物，化学式WS2，分子量247.97，状态为黑灰色粉末，在自然界出现为辉钨矿，为深灰色斜方系晶状固体。相对密度为7.510。微溶于冷水，溶于热水。不溶于盐酸和碱（浓硝酸与氢氟酸的混合液除外）。溶于熔融碱，不溶于醇。密度7.6g·cm-3。有还原性，可与热的浓硫酸、硝酸、王水等强氧化剂反应，在空气或氧气中加热可转化为WO3。在真空中加热至1250℃则分解为钨与硫。在干燥的纯氮气流中，将三硫化钨与硫的混合物共热至900℃，使过量的硫升华，残留物即是二硫化钨。


      郭维,中国科学院理化技术研究所 , 研究员，博士生导师，国家优秀青年科学基金获得者，中国科学院卢嘉锡青年人才奖获得者，北京市科技新星，中国科学院青年创新促进会会员。研究兴趣：仿生功能材料 , 界面物理化学 , 纳米流体 , 新型能源材料 , 二维材料。