西安建筑科技大学EES：二维纳米通道光电/热协同驱动离子传输与太阳能转化

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。

基于此，西安建筑科技大学王磊教授、王琎教授、张宇飞副教授通过构建二维异质Ti₃C₂T_x–g-C₃N₄/chitosan（TCC）纳米通道，实现了光电/光热效应的耦合，从而实现了高效的光响应离子传输功能。

一方面，在光照下，光激发电荷载电子由g-C₃N₄/chitosan向Ti₃C₂T_x扩散，在纳米流体通道中形成内建电场从而促进了离子的自发迁移。此外，得益于Ti₃C₂T_x的光热转换特性，在纳米通道内也形成了温度场，进一步增强了离子传输的驱动力。

在此基础上，即使在自然阳光下也能实现离子的主动扩散。作者还使用耦合泊松-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，从理论层面对光响应离子输运的机制进行了验证。

在离子能回收应用方面，在光照射的帮助下，不但可以有效获取传统盐度梯度系统中的渗透能，还可以在无浓度差系统中成功地将离子能转化为电能。该工作为设计用于太阳能、离子能向电能转换的光响应纳米通道提供了参考。

本论文工作以Ti₃C₂T_x和g-C₃N₄/CTS纳米片为构筑单元获得二维TCC异质膜，系统研究了Ti₃C₂T_x和g-C₃N₄/CTS均质膜的离子传输特性，以及Ti₃C₂T_x、g-C₃N₄/CTS和TCC膜在光激发下产生的电流、数值模拟离子在纳米通道中的传输现象，分别分析了Ti₃C₂T_x和g-C₃N₄/CTS光效应机理，探讨离子能回收方面的应用，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。

Bionic Sunlight-driven Ion Transport in Nanofluidic Channel Enable by Synergistic Photo-electric/thermal Effect. Energy Environ. Sci., 2023, DOI: 10.1039/D3EE00720K

https://doi.org/10.1039/D3EE00720K