纳米流体膜具有表面电荷纳米通道，其在纳米尺度上智能控制离子传输具有优异性能，从而被用于能量转换。基于离子选择性，纳米流体膜在能量转换、海水淡化和生物传感器等领域有巨大的应用潜力，特别是梯度能量转换。然而，在不丧失膜结构完整性的情况下，在膜的垂直方向（即穿过膜）制造具有大量纳米孔的纳米流体膜仍然具有挑战性。此外，大多数制备纳米流体膜的方法不仅价格昂贵，而且工艺复杂，难以规模化，限制了其在能量转换方面的实用性。因此，迫切需要一种经济高效、可扩展的方法制备具有高离子电导率和机械强度的纳米流体材料。
木材是地球上最丰富的生物资源之一，由于其层次结构和各向异性，在能量-水关系中具有巨大的潜力。排列整齐的纤维素纳米纤维、纳米孔和带负电荷的表面使木材成为天然纤维基纳米流体材料。但是，木材在纳米流体中的应用受到其难处理性的限制。同时，天然木材细胞的表面电荷相对较低，限制了离子导电性能。天然木材在水中的结构不稳定性也限制了其实际应用。此外，需要通过旋转切割使离子传输方向垂直于纤维素原纤维（纵向）方向的大型木板，以进一步增强纳米流体木材膜的可伸缩性。
近日，美国马里兰大学胡良兵教授（通讯作者）等人报道了一种基于balsa-木材水凝胶的纳米流体膜，具有高离子电导率和机械强度，可用于盐度梯度能量收集。首先通过部分脱木素去除大部分半纤维素和部分木质素，然后通过聚乙烯醇（PVA）/丙烯酸（AA）原位聚合在木材通道内形成聚合水凝胶，制备了balsa-木材水凝胶膜，其对木材的体积通道起到阻断剂的作用，增加了表面电荷密度和纳米流体通道。利用工业上采用的旋转切割方法，可以大规模制造balsa-木材水凝胶膜。聚合物水凝胶在木材结构中的渗透不仅有利于离子传输，而且由于纤维素纤维之间形成交联网络和氢键，提高了balsa-木材的机械强度。所制备的balsa-木材水凝胶膜是由排列整齐的纤维素纤维组成，在水溶液中稳定，并且由于表面带负电，因此呈现出高的带正电离子选择性（K+在Cl–上的选择性离子扩散）。
对比天然木材，木材水凝胶膜在径向（R）和沿纵向（L）的强度高出了3倍（52.7 MPa），离子电导率高出2个数量级。在低盐浓度（高达10 mM）下，木材水凝胶膜-L的离子电导率为1.29 mS cm-1，木材水凝胶膜-R为近1 mS cm-1。木材水凝胶膜在强度、离子导电性、排列和可拉伸性方面优于许多具有代表性的纳米流体材料。其具有较高的离子电导率和选择性，可以在无需外加电源的情况下获得盐度梯度能量并产生电输出。这些结果显示了木质材料发电的潜力，为蓝色能源的利用提供了一条可持续的途径。
扫描电子显微镜（SEM）图显示了天然balsa-木的双峰3D互连微观结构，其中管胞与大导管通道共存。PVA/PAA水凝胶渗透使得宽导管通道、管胞等被完全阻断。水凝胶前体可以穿透大尺寸导管通道，形成通道内具有交联网络的结构。具有丰富纳米孔的互连纳米流体网络，其充当离子传输路径。由于化学处理后引入了丰富的-COOH和-OH，木材表面电荷密度由-1.49增加到-2.53 mC m-2，有利于离子的传输。脱木素后纤维素原纤维的更多羟基暴露可导致PVA/PAA水凝胶与纤维素原纤维之间的相互作用增强，有助于膜的优异机械强度和稳定性。
通过轴向（L）和横向（R）的balsa-木材水凝胶膜的图像发现，当沿着纵向切割时，木材水凝胶-R中的跨膜离子传输主要沿着排列的纤维素纤维，当平行于纵向切割时，木材水凝胶-L中的跨膜离子传输主要穿过排列的纤维素纤维。在低盐浓度下，天然木材-R的离子电导率约为4.33×10-5 S cm-1，是天然木材-L（1.98×10-5 S cm-1）的两倍。而木材水凝胶-R和木材水凝胶-L的离子电导率分别为1.29×10-3 S cm-1和9.70×10-4 S cm-1，分别是天然木材-R和天然木材-L的30倍和50倍。此外，木材水凝胶膜-L在干燥条件下表现出52.7 MPa的高强度，在含水量为64 wt%时具有15.4 MPa的拉伸强度，比纯水凝胶高380倍。木材水凝胶膜-R在干燥和潮湿条件下的拉伸强度分别为10.7和0.48 MPa，也远高于纯水凝胶。结果表明，增强的氢键有助于提高木材水凝胶的机械强度和稳定性，木材水凝胶膜-L具有集成的高拉伸强度和优异的离子导电性。
在不同盐度梯度下，从电压和电流轴上截获的电压和电流观测到开路电压（Voc）和短路电流（Isc）。结果表明，木材水凝胶膜的Isc是在K+对Cl–的选择性正电荷离子从高浓度到低浓度时观察到，表明膜具有阳离子选择性。在10-1000倍的盐浓度梯度下，天然木材的电位从17 mV增加到84 mV，而Isc从0.15 μA增加到1.2 μA。对于木材水凝胶膜电位从64 mV增加到125 mV以上，Isc则从1.1 μA增加到3.1 μA。在1000倍盐浓度梯度下，木材水凝胶膜的最大输出功率密度可估计为0.56 mW m-2，几乎是天然木材的4倍。
Scalable Wood Hydrogel Membrane with Nanoscale Channels. ACS Nano, 2021, DOI: 10.1021/acsnano.0c10117.
https://doi.org/10.1021/acsnano.0c10117.
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