我學者實現高效率多形式鹽差能發電

科技日報合肥9月4日電 （記者吳長鋒）4日，記者從中國科學技術大學獲悉，該校應用化學系徐銅文、楊正金團隊研發了一種磺化的超微孔聚氧雜蒽基（SPX）離子膜，揭示了軟物質限域下的離子傳遞特性，並利用膜內亞納米的親水微孔實現了極高的離子選擇性，提高了鹽差能發電的效率。該膜材料的設計理念也將鹽差能發電的概念從海水—河水體系，拓展到無濃差鹽溶液甚至工業廢水體系。相關研究成果日前發表在《能源與環境科學》雜誌上。

存在於河水與海水之間的鹽差能是一種極具潛力的可再生能源。理論上，全球各河口區鹽差能總儲量高達30太瓦，可利用的有2.6太瓦。用於提取這種能量的方法主要有壓力延遲滲透技術（PRO）和反向電滲析技術（RED）。尤其是RED技術使用離子交換膜，直接將化學勢能轉換為電能，具有投資成本更低、能量密度更高等優勢。

但是RED過程存在兩個主要挑戰：一是缺乏能同時實現高功率密度和高轉換效率的膜材料；二是鹽差能提取的概念僅限於具有明顯滲透壓差、鹽度差海水和河水的體系，從工業廢水等其他水源中提取能源的研究很少，急需開發出不受複雜鹽組成、溶液pH、温度等影響的能量提取過程，實現多種形式的鹽差能提取。

基於上述兩大挑戰，團隊設計了一種磺化的超微孔聚合物膜SPX，用於提取儲存在不同濃度溶液中的滲透能。SPX膜具有大小為5—9埃的親水微孔，表現出受表面電荷控制的離子傳輸和優異的陽離子選擇性。在模擬海水和河水混合的情形下，能量轉換效率保持在38.5%以上。利用熱梯度和濃度梯度的協同作用，該鹽差能提取裝置的能量轉換效率進一步提高到48.7%，接近50%理論上限。這是目前為止在50倍氯化鈉梯度下報告的最高效率。

該研究也揭示了亞納米通道內的尺寸篩分效應，拓展了鹽差能發電的概念。基於SPX膜的鹽差能提取裝置在連續運行模式下具有良好的長期穩定性。該研究成果將鹽差發電的概念拓展到擴散發電，未來或可用於從工業廢水中提取能量。