1. 背景介绍

渗透能利用受限于膜材料的导电性与结构稳定性

在河水与海水交汇处，存在着巨大的盐度差，这种天然的化学势差可被转化为电能，称为“渗透能（Osmotic Energy）”。它被誉为一种清洁、可持续的蓝色能源。然而，现有的商业膜材料往往存在导电性差、选择性低、易污染、成本高等问题，限制了其在渗透能领域的实际应用。近年来，二维纳米流体膜因其在离子选择性和稳定性上的优势，成为膜材料领域的研究热点。

2. 创新点

仿生氨基酸调控 + 天然层状蛭石 + 真空渗透组装

本工作从自然界获得灵感：仿照生物蛋白离子通道利用氨基酸实现高效离子传输的机制，首次将小分子甘氨酸引入天然层状硅酸盐材料蛭石（vermiculite）中，通过简单的真空辅助渗透法构建了一种高性能纳米流体复合膜。与传统的纳米颗粒客体（如纳米点、纳米纤维等）相比，小分子氨基酸尺寸统一、结构稳定，更容易均匀分布于纳米通道中，同时不破坏层状结构，从而在提升膜的离子传输性能的同时保持其结构完整性。

3. 研究亮点

• 仿生构建，自组装氨基酸纳米复合膜

通过真空辅助渗透法将小分子甘氨酸引入天然层状蛭石通道中，构建结构完整、分布均匀的自由支撑纳米流体膜。

• 协同调控，显著提升离子导电与能量输出

甘氨酸-蛭石复合膜在盐梯度驱动下展现出优异的离子导电性和功率密度，分别为纯蛭石膜的1.8倍和2倍。

• 机制明确，精准调控电荷密度增强离子输运

甘氨酸分布于多尺度通道位点，通过调控表面电荷与空间电荷密度、增强氢键与静电作用，有效提升选择性离子传输效率。

4. 全文概述

本研究提出了一种新型仿生策略，利用廉价、环保的氨基酸分子调控天然矿物材料的纳米流体性能，为构建高性能渗透能膜材料开辟了新路径。该复合膜在渗透能装置中表现出优异性能：离子电导率提高1.8倍，功率密度提升至纯蛭石膜的2倍。研究通过对膜中甘氨酸分布位置的分析发现，其主要以三种方式存在：填充于空隙、吸附于通道表面、插层于多层片结构中。这些分布方式通过调控表面电荷密度、空间电荷、电荷筛分能力和氢键作用等机制，显著增强了膜的离子传输性能。此外，氨基酸的两性离子结构赋予复合膜良好的抗生物污染能力，进一步增强了其实用潜力。

5. 图文解读

图1. 蛭石甘氨酸（Vr-Gly）膜的制备及微观结构分析。

如图1所示，研究人员通过真空辅助渗滤法将氨基酸分子引入天然蛭石纳米片中，制备出具有良好柔韧性和层状结构的自支撑纳米流体膜。该方法工艺简便、可规模化，适用于大面积膜材料的制备。制备前，研究人员将锂插层蛭石剥离为厚度约3 nm的双层纳米片，并与甘氨酸、丙氨酸或缬氨酸溶液混合形成稳定悬浮液。透射电镜（TEM）与原子力显微镜（AFM）等分析确认了其超薄晶体结构及规则尺寸分布，扫描电镜（SEM）揭示膜内部形成规则堆叠的纳米通道结构。XPS结果表明甘氨酸成功掺入膜内，质量分数达7.2 wt%，而未掺杂样品无明显N1s信号。XRD测试显示，掺杂不同含量甘氨酸后的膜材料层状结构保持不变，表明氨基酸主要分布在通道间隙，而非直接插层于晶体内部。该结构有助于维持纳米通道完整性，为高效离子传输提供物理通道基础。

图2. 跨膜离子输运分析。

如图2所示，研究人员系统考察了Vr-Gly膜的跨膜离子传输性能。在自研PDMS装置中测试的I–V曲线显示，该膜在不同浓度电解液中表现出良好的欧姆行为，说明其具有稳定的离子导通特性。特别是在低盐浓度下（<10^-4 mol L^-1），膜内电导率远高于体相电解液，表明明显的纳流体增强效应。与纯Vr膜相比，Vr-Gly膜在低浓度下的离子电导率提升了1.8倍，优于多种纳点（0D）和纳纤维（1D）膜材料。进一步研究发现，甘氨酸掺杂质量分数为7.2 wt%时电导率达到最优，呈现火山型趋势。与丙氨酸和缬氨酸对比，甘氨酸因其结构简单、空间位阻小，能更有效调控纳米通道表面电荷密度，提升离子传输性能。此外，Vr-Gly膜在盐浓度梯度驱动下可产生明显的扩散电流和电势，表现出良好的阳离子选择性。其开路电压与短路电流随浓度梯度增加显著提升（最高达1.39 μA和50 mV），离子选择性始终维持在高水平（最高0.78）。相比纯Vr膜，Vr-Gly膜通过提高阳离子迁移率、抑制阴离子扩散，实现了更高效的离子分离与能量转化，为低浓度能量收集器件提供了新策略。

图3. 渗透能量转换性能。

如图3所示，研究人员利用Vr-Gly膜构建盐差能量转换器，通过模拟海水（0.5 mol·L^-1）与河水（0.01 mol·L^-1）环境，实现渗透能发电。Vr-Gly膜在负载为30 kΩ时输出最大功率密度达3.0 W·m⁻²，是纯Vr膜（1.5 W·m^-2）的2倍，能量转换效率接近30%，接近商用离子交换膜水平，且性能稳定可持续运行至少4天。功率输出随甘氨酸掺杂量呈“火山型”变化趋势，印证其对离子输运与能量转换的双重促进。对比其他1D/2D纳流体膜材料，该膜虽性能略逊于少数体系，但制备简便、原料廉价，仅需毫克级甘氨酸（<4元/m²），具备良好环境兼容性与抗生物污染能力。同时，甘氨酸在不同温度（25–35℃）和pH（6–8）条件下稳定存在，无明显溶出，表现出优异的结构稳定性和抗腐蚀能力。尽管掺杂可能略微削弱力学性能，但可通过后续增强手段进一步优化。整体方案兼顾性能、稳定性与低成本，为渗透能发电提供了新路径。

图4. 甘氨酸促进纳米流体离子传输的机理研究。

图4总结了甘氨酸对Vr-Gly纳流体膜离子传输的调控机制。二维纳流体通道的离子电导受表面电荷密度影响，甘氨酸作为小分子添加剂，能显著增强表面及空间电荷，提升离子电导。Zeta电位测试显示膜表面电位变负，表明表面电荷增强。XPS分析揭示甘氨酸在膜中存在三种状态：填充在膜空隙（Peak I）、吸附于纳米通道表面形成酸碱相互作用（Peak II）、以及插层于云母晶体层间（Peak III）。这三种状态共同促进离子传输，尤其是表面吸附的甘氨酸通过形成带正电的-NH₃⁺，增强负电荷密度，优化通道环境。高甘氨酸含量时出现的新峰（Peak IV）对应副产物，导致电导下降，提示掺杂过量不利性能提升。甘氨酸含量与离子电导提升高度相关，表明三种态的甘氨酸均有效促进离子运输。此外，甘氨酸调控水合层结构，影响离子扩散和选择性。理论计算显示，不同氨基酸结构影响其对电导的贡献，空间位阻和吸附能均是关键因素。

6. 原文信息

相关成果以“Bio-inspired amino acid promoted nanofluidic ion transport and energy conversion in free-standing layered vermiculite-based membranes”为题发表在Green Energy & Environment期刊，通讯作者为上海交通大学张荻院士团队宋钫副教授。

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https://doi.org/10.1016/j.gee.2025.05.009

撰稿：原文作者

编辑：GEE编辑部