中国化学会第32届学术年会
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仿生纳米通道复合膜的选择性离子传输及能量转换
辛伟闻 闻利平*

分会

第五十四分会:仿生材料化学

摘要

师法自然,向生命体学习,自古以来就是人类各种科技思想、设计原理和发明创造的灵感源泉。细胞上的磷脂双分子层(膜)具有独特的功能,膜上的转运蛋白能输运特定分子,实现物质的可控捕获和传输;贝壳类生物的坚硬外壳能够阻挡外来冲击保护生物本身不受伤害,其中典型的层状堆砌的砖瓦结构是具有优异力学性能的关键。受此启发,我们设计并开发一系列具有仿生结构的复合膜,使其具有特定的结构或者功能,并将这种复合膜应用于可控的离子传输以及盐差能转换方面(Fig.1)。 我们设计了一种类似于转运蛋白的非对称纳米尺度的复合孔道。该体系由两种经过功能化的二维材料组成,形成一种兼具孔道、电荷分布、以及化学活性的非对称功能通道。受纳米限域中的尺寸以及电荷作用,该复合孔道实现了Li+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+的有序传输。另外,在外部电压的刺激下,该孔道展现出锂离子的特异性筛分,Li+/Na+以及Li+/K+的分离比达到了2.52和4.78,实现关键元素锂的提取与回收。 在此基础上,将天然蚕丝纤维与氧化石墨烯纳米片作为原材料,通过自组装方式形成贝壳结构的三明治夹层膜。由于结构单元间强的氢键作用,复合膜在韧性以及拉伸强度上超过天然壳类材料。引入的蚕丝纤维极大提升复合膜的表面带电基团,使其具备阳离子选择性。结果表明,由于增强的表面电荷密度以及优异的力学性能,复合膜实现高性能盐差转换能力,其功率密度达到5.07W/m2。

关键词

仿生材料;选择性离子传输;纳米通道;能量转换;离子筛分

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辛伟闻 中国科学院理化技术研究所、刘天池 中国科学院长春应用化学研究所、刘铭扬 中国科学院长春应用化学研究所、韩亚星 中国科学院长春应用化学研究所 共4人点赞了这篇线上墙报。