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齊魯工大/山東省科學院王振教授團隊 AFM：利用“自下而上”策略合成類細胞壁結構的抗膨脹水凝膠用于滲透能收集

2025-03-27 來源：高分子科技

能源轉型背景下，滲透能技術以其環境適應性與高效能轉化特性成為清潔能源研究前沿，其中反向電滲析（RED）的核心突破點在于離子選擇性膜的性能優化。盡管二維膜技術持續發展，但制備復雜度與成本問題仍阻礙其規模化應用。研究表明，三維網絡聚電解質水凝膠通過帶電單體構建的多孔架構，兼具高離子選擇性與低成本優勢，顯著推進滲透能技術實用化進程。該材料雖存在過度親水引發的膨脹形變問題，導致機械/電化學性能衰退，但通過雙網絡構建、疏水改性及物理交聯等協同策略已實現體系穩定運行，證實其長期收集滲透能的工程可行性。進一步簡化制備工藝并強化環境兼容性，將成為該材料產業化應用的關鍵突破方向。

圖1 CMC-pAA-DLS凝膠網絡結構模型

近期，齊魯工業大學（山東省科學院）環境科學與工程學院王振教授團隊合成了一種新型植物質基水凝膠，用于滲透能收集。該水凝膠從植物細胞壁結構的角度出發，通過“自下而上”的策略將木質素與纖維素組合形成具有類細胞壁結構的植物質水凝膠。CMC-pAA-DLS凝膠不僅通過對環境友好的植物質材料模擬出的植物細胞壁結構來使其在工作環境中長時間保持穩定使其溶脹率僅有0.385，而且實現了10.10W·m^-2的滲透能輸出功率密度(遠高于5 W·m^-2的商業應用標準)以及有著高達99.10%的離子選擇性。CMC-pAA-DLS凝膠于滲透能收集領域展現出較高的性能優勢，在實際應用場景中更是有著巨大的潛力在促進綠色材料的高效運用方面，為相關研究開辟了新的路徑，提供了更為廣闊的思考方向。

圖2 改性木質素磺酸鈉與CMC-pAA-DLS凝膠的合成。

圖3 (a) CMC-pAA-DLS水凝膠圖像；(b) CMC-pAA-DLS水凝膠的SEM圖像；(c) CMC-pAA-DLS水凝膠的接觸角；(d)溶劑交換前后應力-應變曲線；(e)木質素磺酸鈉（LS）、炔化木質素磺酸鈉（ALS）和雙鍵木質素磺酸鈉（DLS）的FTIR光譜；(f)不同組分水凝膠的溶脹質量和溶脹比；(g)不同組分水凝膠的應力-應變曲線；(h)不同組分水凝膠的ATR-FTIR光譜；(i)溶劑交換前后CMC-pAA-DLS水凝膠的XRD譜圖。

圖4 CMC-pAA-DLS水凝膠中的離子輸運調控。(a)離子輸運通道微觀結構示意圖；(b)單離子通道加速陽離子通道示意圖；(c) CMC-pAA-DLS水凝膠前驅體溶液的Zeta電位。(d)用電路仿真原理圖說明開路電壓的組成；(e) 10-100倍NaCl濃度梯度下的陽離子選擇性和能量轉換效率；(f) CMC-pAA-DLS水凝膠在0.5 M NaCl溶液（陽離子等效常數Na/Cl=28/17）中浸泡6 h后表面Na原子和Cl原子的掃描電子能譜圖；(g) 0.01/0.5 M NaCl正、反向濃度梯度下CMC-pAA-DLS的C-V曲線；(h)不同離子電解質在50倍濃度梯度下的水凝膠輸出功率密度。

圖5 CMC-pAA-DLS基水凝膠的滲透能輸出性能。(a)滲透能輸出裝置示意圖；(b)不同組分水凝膠的滲透能輸出功率密度；(c)不同木質素含量CMC-pAA-DLS水凝膠的滲透能輸出功率密度；(d)不同CMC含量CMC-pAA-DLS水凝膠的滲透能輸出功率密度；(e)不同厚度CMC-pAA-DLS水凝膠的C-V曲線；(f) CMC-pAA-DLS凝膠連續運行2500秒的V-T曲線；(g)不同試驗區下的最大輸出功率密度；(h)不同鹽度梯度下滲透能輸出功率密度；(i)真實海水/湖水與實驗室模擬海水功率密度對比。

相關研究成果以“Synthesis of Mimicking Plant Cell Wall-Like Anti-Swelling Hydrogels Based on a “Bottom-Up” Strategy and Their Application in Osmotic Energy Harvesting”為題發表在Advanced Functional Materials（2025, 10.1002/adfm.202502946）期刊上。齊魯工業大學環境科學與工程學院研究生張卓文為第一作者，齊魯工業大學王振教授和復旦大學研究生王心睿為共同通訊作者。本文作者感謝山東省自然科學基金；中國民航大學省部級科研院所高校開放式合作基金；自然科學基金；濟南市科技局項目的資助支持。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202502946

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（責任編輯：xu）

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