​冯新亮院士团队，最新Nature子刊！

二维（2D）膜是渗透能量转换的新兴候选者，但是离子选择性和电导率之间的平衡仍然是关键瓶颈。基于此，德国德累斯顿工业大学冯新亮院士、Thomas Heine和董人豪博士（共同通讯作者）等人报道了一种完全结晶、纳米级厚度的基于亚胺的二维聚合物（2DPI）膜，该膜可以实现优异的离子电导率和高选择性的渗透能量转换。由于其固有的单分散孔（~10¹⁷ m^-2）、功能性羟基高的空间密度（~1.5×10²⁷ m^-3）和全结晶结构，该2DPI膜具有优异的离子电导率和高选择性起，而纳米级厚度（~70 nm）产生相当高的离子通量，实现了创纪录的53 W m^-2的功率密度，比传统的离子交换膜高一个数量级，并且优于大多数纳米多孔2D膜。

此外，该2DPI膜可以优先传输Na⁺，选择性系数为0.98（Na⁺/Cl^–选择性比~84），以及K⁺选择性系数为0.93（K⁺/Cl^–比~29）的阳离子。通过密度泛函理论（DFT）计算溶剂化离子与2DPI主链及其扩散势垒的相互作用，实现了对能量转换过程的分子水平理解。该研究成果将激发研究人员进一步努力合理设计用于纳米流体能源应用的结晶2DP膜。

基于膜的反电渗析是一种未来的技术，可用于捕获海水和淡水之间的蓝色渗透能等。此外，小型反向电渗析装置可用于通过利用体内不同的流为植入式器件供电等。作为反向电渗析的核心组件，传统的膜的离子传输能力不足。二维（2D）材料已成为开发替代功能膜的有希望的构件。堆叠原子级纳米片具有选择性高、易制备和可扩展等优点，但由于从几微米到几十微米的大厚度和无序的离子传输路径，离子电导率有限。基于单层2D材料的膜可以实现超高电导率，但由于对孔尺寸和分布的可控性差、官能团密度低以及随机缺陷的数量，导致离子选择性差。因此，克服离子选择性和电导率之间的平衡效应仍然面临巨大的挑战。二维聚合物（2DPs）是共价连接的单体网络，在两个不同的维度上具有周期性键合。具有优异稳定性的2DPs可以分离为坚固的超薄纳米多孔膜，具有高密度的固有单分散孔、高密度的官能团和良好的结构均匀性，有利于克服上述问题。

全结晶2DPI膜

Cation-selective two-dimensional polyimine membranes for high-performance osmotic energy conversion. Nature Communications, 2022, DOI: 10.1038/s41467-022-31523-w.