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      我院在國際權威期刊《Energy & Environment Science》上發表重要研究成果
      發布日期:2023-05-09    作者:    來源:    點擊量:1737   分享到:

      近日,我院在《能源與環境科學》(Energy & Environment Science,2022年影響因子:39.714)上發表題為《光電/熱協同仿生光驅動離子傳輸與高效太陽能轉換》(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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      論文第一作者為環境與市政工程學院王琎教授,環境與市政工程學院王磊教授、王琎教授、張宇飛副教授為共同通訊作者,西安交通大學黃博副教授為研究工作提供了重要支持,碩士研究生王迪、宋澤源、蔣娜等參與了此項工作。該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學等基金的資助。此外,陜西省膜分離技術重點實驗室,陜西省環境工程重點實驗室也為研究開展給予了大量支持。

      針對化石能源等傳統能源帶來的環境、資源等問題,我國已明確提出“碳達峰”“碳中和”戰略目標,以實現資源高效利用和綠色低碳發展的基礎之上推動經濟社會發展。鹽差能是一種蘊藏于海水、鹵水及高鹽廢水之中藍色清潔能源,由于其豐富的存儲量、可再生性等特點,受到了研究者的廣泛關注。生物細胞膜中的高效離子傳輸功能為提升鹽差能的回收效率提供了新的靈感。特別是生物離子通道在包括pH、溫度和光等外界刺激的智能響應性離子傳輸,引起了研究者的廣泛興趣。其中,陽光由于其自然存在范圍廣,以及在照射位置、強度及方向上的獨特靈活性,被認為是一種重要離子傳輸驅動力,以用于離子傳輸過程的精準調控。盡管目前研究者已經初步證明了利用光照對離子傳輸行為的調控的可能性,然而,實現與在自然陽光下生物通道內快速、高效的選擇性離子傳輸,進而強化鹽差能轉化效率仍是一項極具挑戰性的任務。

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      光響應異質性二維Ti3C2Tx-g-C3N4/CTS(TCC)納米通道膜的制備流程示意圖

      該研究通過構建二維異質Ti3C2Tx-g-C3N4/chitosan(TCC)納米通道,實現光電/光熱效應的耦合,進而達到高效的光響應離子輸運功能?;隈詈喜此?內爾斯特-普朗克理論、愛因斯坦-斯托克斯理論的數值模擬以及密度泛函理論(DFT)計算等對光響應離子輸運的機制的分析指出,在陽光的照射下,得益于通道構筑單元的能帶結構,光激發載流子在TCC異質通道中被有效分離,所形成的內建電場有效的促進了納米通道中離子的選擇性傳輸;同時,由于Ti3C2Tx單元的光熱轉換特性,在納米通道同步形成溫度場。在光電/熱協同效應的影響下,離子在受限納米通道內出現了快速、主動的響應傳輸。在應用方面,作者開展了利用TCC異質膜獨特的光響應離子傳輸效應提升鹽差能回收效率的研究。在模擬海水/河水體系下,異質膜最大輸出功率為0.95 Wm?2,是無光照時輸出功率的兩倍,在此基礎上,作者進一步探討了利用光熱/電耦合效應,在無濃度差體系下實現離子能向電能的轉化的可能性。在無濃度差體系中對g-C3N4/CTS膜側進行光照明,也可為外部載荷提供21.93 mWm?2的功率密度。此外,在光照驅動下,離子也可實現從低濃度向高濃度的逆濃度傳輸。最后,作者也通過實際的戶外實驗證明了自然陽光條件下可直接用于驅動離子在TCC異質納米通道膜內的傳輸。

      在本研究工作中,作者證明了光熱/電耦合效應是實現納米通道內高效光響應離子傳輸的一種有效方法,此外,在離子能回收方面應用的探討,確認了光驅動離子傳輸不僅可提高傳統鹽度梯度系統中回收離子滲透能的效率,而且在無鹽度差條件下,也可實現離子能的有效回收,實現光能-離子能-電能的轉化,這些特征為海水、鹽湖鹵水和工業高鹽廢水等提供了可持續利用提供了新的啟示,對環境、能源與資源領域等多個領域均具有重要意義。

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      TCC異質納米通道膜的光響應離子傳輸行為

      《能源與環境科學》(Energy & Environment Science)是由英國皇家化學學會(Royal Society of Chemistry)出版的國際知名學術期刊。該期刊創刊于2008年,旨在發布高質量、創新性的學術前沿和跨學科研究成果,涵蓋了環境科學與能源領域,包括環境污染與減排,可持續發展以及能源轉換、儲存、分配和利用等的各個方面,被認為是環境、能源領域頂尖研究成果的重要來源。

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