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第一作者：Jiadong Tang, Yun Wang

通讯作者：张倩倩、郑子龙、顾一帆

通讯单位：北京工业大学

论文速览

从商业化和环境可持续性的角度来看，基于天然丰富粘土的二维纳米流体是在海洋和河流之间获取渗透能量的良好候选材料。

本研究开发了一种全天然二维纳米流体（2D-NNF）装置，它基于丰富的天然粘土矿物和纤维素纳米纤维，用于高效地从海水和河水之间的盐度梯度中收获渗透能。2D-NNF通过堆叠的蒙脱石纳米片和交织的纤维素纳米纤维形成坚固而高效的渗透能发电器。

这些纳米流体学通道具有丰富的表面和空间负电荷，有助于阳离子的选择性和快速跳跃传输。在模拟海水和河水浓度梯度条件下，2D-NNF实现了约8.61 W/m²的渗透功率输出，高于其他报道的二维纳米流体学装置。

生命周期评估（LCA）显示，与主流二维纳米流体学相比，2D-NNF在资源消耗、温室气体排放和生产成本方面具有显著优势，展现了大规模高效渗透能发电的良好可持续性。

图文导读

图1：全天然2D纳米流体学（2D-NNF）的组装示意图，包括天然蒙脱石（MMT）和天然纤维素纳米纤维（CNFs）组装成大面积2D-NNF膜的过程

图2：2D-NNF的跨膜离子传输特性。

图3：渗透能发电性能。

图4：离子依赖的渗透能发电。

图5：面向实际应用的大规模2D-NNF渗透能发电。

图6：资源、环境和技术经济分析。

总结展望

本研究开发的全天然2D-NNF通过利用天然粘土矿物（蒙脱石）和天然纤维素（CNFs），实现了工业级以上高效的蓝色渗透能收集。2D-NNF的MMT基底与CNF交织器之间的互锁结构为所获得的膜提供了高机械强度，有利于渗透能发电长期稳定。MMT和CNFs上丰富的负电荷也在纳米层间通道中产生了强电场，促进了阳离子的选择性和快速传输，从而实现了高效渗透能收获。

作为渗透能发电器，2D-NNF能够在模拟的海水和河水之间产生高达8.61 W/m²的最大功率，远高于已报道的2D纳米流体学装置。当2D-NNF的面积扩大到700cm²时，从膜的不同区域选择的不同测试点仍然能够展现出高功率密度的发电（约8.36 W/m²）和长期稳定性（超过30天）。

更重要的是，资源、环境和技经分析进一步表明，与基于GO和MXene的膜相比，2D-NNF的生产过程显著减少了资源消耗（1/14）、温室气体排放（1/9）和生产成本（1/13）。这项工作通过利用可持续的原材料，推进了全天然2D纳米流体学在蓝色渗透能收获中的大规模应用，并在离子筛选和海水淡化方面展现出巨大潜力。

文献信息

标题：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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