开发利用清洁和可再生能源资源刻不容缓，是世界发展的共同议题。河水与海水交汇处盐差能储量巨大，并可实现相应的电能转换。与其他发电模式相比，其作为绿色能源且高度可持续，有望缓解能源短缺以及环境污染等问题。当前，传统的人工固态离子通道系统通过单一的一维或二维纳米通道实现了超快的离子对流和离子选择性传输，然而，其本征固体通道堆叠现象常常面临严重的孔-孔极化和离子浓度阻塞问题，从而限制其宏观尺度下的离子传输效率。针对以上问题，中国科学院大学/中国科学院理化技术研究所的赵紫光副教授/闻利平研究院联合开发了一种具有超高阳离子选择性和通量的柔性异质层凝胶（HLG）体系，实现了高效的盐差能发电。
图1. 用于超高梯度能量转换的离子浓度跳变异质层凝胶
研究人员通过集成离子选择性水凝胶层（ISH）和阻水有机凝胶层(WBO)，构建出具有离子浓度跳变机制的柔性异质层凝胶。其中，ISH具有松散的三维网络，形成了具有高度水合聚电解质链振动的离子传输通道。这种由热力学驱动的链振动降低了离子传输能垒，增强了阳离子选择性，从而促进了离子的集群传输，进一步增强了离子浓度跳变。研究表明，该HLG能源转换体系在平方微米尺度和平方厘米尺度下功率密度分别高达192.90 W/m2和1.07 W/m2，远超传统固体纳米通道体系的能量转换效率。同时，该体系还展现了出色的阳离子选择性，离子选择性系数处于0.98至0.92之间。此外，HLG优异的力学性能及其在离子梯度中的抗溶胀能力为后续在盐差能领域的大尺寸应用奠定了基础。研究团队认为这种异质层凝胶将在能量分离和存储方面的展现出广阔的应用前景，并预计这项工作将为探索仿生柔性离子传输系统提供开创性的视角。
相关研究结果发表在《Journal of the American Chemical Society》杂志上（DOI：10.1021/jacs.4c01036）。该工作得到了国家自然科学基金委的大力支持。
