我院在国际权威期刊《Energy & Environment Science》上发表重要研究成果
发布日期:2023-05-09    作者:    来源:    点击量:1902   分享到:

近日,我院在《能源与环境科学》(Energy & Environment Science,2022年影响因子:39.714)上发表题为《光电/热协同仿生光驱动离子传输与高效太阳能转换》(Efficient Solar Energy Conversion via Bionic Sunlight-driven lon Transport Boosted by Synergistic Photo-electric/thermal Effects)的最新研究。

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论文第一作者为环境与市政工程学院王琎教授,环境与市政工程学院王磊教授、王琎教授、张宇飞副教授为共同通讯作者,西安交通大学黄博副教授为研究工作提供了重要支持,硕士研究生王迪、宋泽源、蒋娜等参与了此项工作。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学等基金的资助。此外,陕西省膜分离技术重点实验室,陕西省环境工程重点实验室也为研究开展给予了大量支持。

针对化石能源等传统能源带来的环境、资源等问题,我国已明确提出“碳达峰”“碳中和”战略目标,以实现资源高效利用和绿色低碳发展的基础之上推动经济社会发展。盐差能是一种蕴藏于海水、卤水及高盐废水之中蓝色清洁能源,由于其丰富的存储量、可再生性等特点,受到了研究者的广泛关注。生物细胞膜中的高效离子传输功能为提升盐差能的回收效率提供了新的灵感。特别是生物离子通道在包括pH、温度和光等外界刺激的智能响应性离子传输,引起了研究者的广泛兴趣。其中,阳光由于其自然存在范围广,以及在照射位置、强度及方向上的独特灵活性,被认为是一种重要离子传输驱动力,以用于离子传输过程的精准调控。尽管目前研究者已经初步证明了利用光照对离子传输行为的调控的可能性,然而,实现与在自然阳光下生物通道内快速、高效的选择性离子传输,进而强化盐差能转化效率仍是一项极具挑战性的任务。

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光响应异质性二维Ti3C2Tx-g-C3N4/CTS(TCC)纳米通道膜的制备流程示意图

该研究通过构建二维异质Ti3C2Tx-g-C3N4/chitosan(TCC)纳米通道,实现光电/光热效应的耦合,进而达到高效的光响应离子输运功能。基于耦合泊松-内尔斯特-普朗克理论、爱因斯坦-斯托克斯理论的数值模拟以及密度泛函理论(DFT)计算等对光响应离子输运的机制的分析指出,在阳光的照射下,得益于通道构筑单元的能带结构,光激发载流子在TCC异质通道中被有效分离,所形成的内建电场有效的促进了纳米通道中离子的选择性传输;同时,由于Ti3C2Tx单元的光热转换特性,在纳米通道同步形成温度场。在光电/热协同效应的影响下,离子在受限纳米通道内出现了快速、主动的响应传输。在应用方面,作者开展了利用TCC异质膜独特的光响应离子传输效应提升盐差能回收效率的研究。在模拟海水/河水体系下,异质膜最大输出功率为0.95 Wm−2,是无光照时输出功率的两倍,在此基础上,作者进一步探讨了利用光热/电耦合效应,在无浓度差体系下实现离子能向电能的转化的可能性。在无浓度差体系中对g-C3N4/CTS膜侧进行光照明,也可为外部载荷提供21.93 mWm−2的功率密度。此外,在光照驱动下,离子也可实现从低浓度向高浓度的逆浓度传输。最后,作者也通过实际的户外实验证明了自然阳光条件下可直接用于驱动离子在TCC异质纳米通道膜内的传输。

在本研究工作中,作者证明了光热/电耦合效应是实现纳米通道内高效光响应离子传输的一种有效方法,此外,在离子能回收方面应用的探讨,确认了光驱动离子传输不仅可提高传统盐度梯度系统中回收离子渗透能的效率,而且在无盐度差条件下,也可实现离子能的有效回收,实现光能-离子能-电能的转化,这些特征为海水、盐湖卤水和工业高盐废水等提供了可持续利用提供了新的启示,对环境、能源与资源领域等多个领域均具有重要意义。

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TCC异质纳米通道膜的光响应离子传输行为

《能源与环境科学》(Energy & Environment Science)是由英国皇家化学学会(Royal Society of Chemistry)出版的国际知名学术期刊。该期刊创刊于2008年,旨在发布高质量、创新性的学术前沿和跨学科研究成果,涵盖了环境科学与能源领域,包括环境污染与减排,可持续发展以及能源转换、储存、分配和利用等的各个方面,被认为是环境、能源领域顶尖研究成果的重要来源。