通过离子选择性纳米孔或膜获得的渗透发电，可以实现从不同浓度的盐溶液（海洋）中提取能量，是一种巨大的、可持续的、清洁的能源，又被称“蓝色能源”。其中，获取渗透发电的效率主要取决于跨膜性能，而跨膜性能又取决于离子电导率和对正离子或负离子的选择性。具有均匀孔环境和高孔密度的原子或分子薄膜有望表现出出色的离子渗透性和选择性，但仍未得到探索。
在此，国家纳米科学中心唐智勇研究员和李连山副研究员等人证明了具有良好有序孔排列的共价有机框架（COFs）单层膜可以实现极低的膜电阻率和超高的离子电导率。当用作渗透发电机时，这些膜在混合人工海水和河水时产生了超过200 W m-2的前所未有输出功率密度。这项工作开启了具有原子精确结构的多孔单层膜在渗透发电中的应用。相关论文以“Advancing osmotic power generation by covalent organic framework monolayer”为题发表在Nature Nanotechnology。
对此，美国德克萨斯大学奥斯汀分校Manish Kumar教授同一天在Nature Nanotechnology上以“Harnessing blue energy with COF membranes”的评论文章，其中指出：不管本文建立的COFs在蓝色能源应用中的独特特性如何，功率密度随着膜面积的增加而迅速减小的事实没有改变。本文最突出在于，Yang等人使用0.25 mm2的COFs膜显示的输出功率密度为14.6 W m-2，而与目前最先进的技术相比，后者的功率密度为4~14 Wm-2时，面积小于0.03 mm2，从而形成了鲜明的对比。展望未来，解决可扩展性和无缺陷膜制造的挑战至关重要，这些挑战是提高使用先进材料的膜技术可持续性的障碍。
工业革命以来，全球能源需求一直在稳步增长。此外，环境污染和气候变化问题促使人们对能源生产脱碳进行广泛研究。在可再生能源的背景下，盐梯度能源（SGE或蓝色能源）自20世纪中叶出现以来，一直是一个吸引人的概念，但缺乏有效的分离技术阻碍了该领域的发展。最近，膜科学和技术的突破激发了人们对可持续的蓝色能源追求。 理论上，如果开发出有效的膜和能量转换技术，河水与海水的混合可以产生大量的能量（约980 GW）。
同时，尽管已经提出了用于捕获SGE的各种技术，但迄今为止，将河水与海水的盐差能量转化为电能主要包括反电渗析（RED）和压力延迟渗透（PRO）。在RED和PRO领域，大多数成功的研究都是在小规模上进行的，而在大规模应用上几乎没有成功。传统膜由于其有限的水或离子通量，以及与提高其性能相关的困难而实现的低功率密度使许多研究人员得出结论，SGE不是能源生产的可行来源。然而，先进的纳米多孔材料作为传统膜的替代品，特别是使用RED提取SGE，受到了越来越多的关注。这一基于纳米孔发电的新领域是由离子选择性膜制造技术的进步推动的。研究证明，固态金属氧化物、聚合物和金属有机框架在单孔水平上具有出色的功率密度。这些低维材料优异的离子电导率和选择性是其高性能的核心。然而，由于从单孔到实验室规模和最终全面应用的可扩展性挑战，基于纳米孔发电的可行性仍然存在很大争议。
即使是目前最先进的基于纳米孔的发电机也涉及与制造具有高孔密度的坚固膜相关的复杂性。依赖于有机分子的预组装或在二维结构中产生孔，对制造和理解潜在的离子传输结构-性质关系造成了严重限制。此外，用于膜分离的高通量先进材料本质上更容易发生浓差极化，这是一种困扰所有膜工艺的现象。集中极化通常会增加运行能量并影响膜的寿命，这两者都不利于蓝色能源应用。
本文描述了一种具有前途的COF，在可实现的功率密度和规模化方面都具有优势。作者使用简便的层流组装界面聚合方法制造了基于金属四苯基卟啉的 COF膜，该方法能够在环境条件下进行大面积合成。这些自支撑COFs膜显示出出色的机械和结构稳定性。所提出的膜能够在在实验室膜尺度上，实现前所未有的约200 W m-2的功率密度，而不是在其他研究中展示的单一或少数孔隙尺度系统。作者将这种性能归因于COF膜的固有优势，包括低厚度、高孔密度和均匀的表面电荷。
作者还提出，协同孔隙耦合是由所提出的共价有机框架膜实现的高输出功率密度的一个因素。当孔间距离小于德拜长度时，协同效应可能源于孔间静电双层的重叠。尽管提供了计算证据，但需要进一步的实验表征来探索孔-孔耦合效应的真正影响，特别是在高盐浓度下，静电效应将减弱。值得注意的是，所合成的膜也是阴离子选择性纳米孔基发电机（NPGs）的首次报道，这为未来的研究开辟了多条途径。由于迄今为止大多数NPGs都是阳离子选择性的，海水中存在的二价离子会降低其输出功率密度。
有趣的是，本文表明阴离子选择性COF的输出功率密度在二价盐存在下增加，其源于二价阳离子的较慢扩散速率导致了更好的电荷分离。通过对实际河水和海水进行毫米级演示和长期研究，研究了其可扩展性和对污染敏感性。考虑到大多数关于NPG的研究都是单孔规模的，这里显示的可行性令人鼓舞。这些COF膜的另一个有趣特征是它们对浓差极化的抵抗力。由膜选择性引起的高盐度侧离子浓度增加被认为是实现蓝色能量的主要瓶颈。
本文通过计算证据表明，COF提供的低孔间距离会产生协同效应，从而提高其选择性。这一特征被认为是COF膜性能的核心，代表了NPG领域未来研究的设计目标。
1.Yang, J., Tu, B., Zhang, G. et al. Advancing osmotic power generation by covalent organic framework monolayer. Nat. Nanotechnol. (2022). https://doi.org/10.1038/s41565-022-01110-7
2.Samineni, L., Kumar, M. Harnessing blue energy with COF membranes. Nat. Nanotechnol. (2022). https://doi.org/10.1038/s41565-022-01118-z
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