研究发现抗缺陷、可规模化的扩渗盐差发电新机制

盐差能作为一种清洁、稳定的可再生能源，近年来受到广泛关注。传统盐差能的收集方式主要基于反向电渗析（RED）技术，其核心在于通过高离子选择性的膜材料以产生净离子流，因此，性能一直受“通量–选择性”博弈的制约。高选择性通常要求膜材料具有亚纳米级的孔径，这不仅增加了膜的制备难度和成本，还使得能量转换效率容易受到结构缺陷的影响。此外，高选择性膜还能导致严重的浓差极化，从而使大面积测试下的功率密度急剧下降，进一步限制了盐差能的规模化应用。现实中，许多高功率密度材料通常仅在极小测试面积中（1μm²到0.03mm²）得到验证，距离实际大规模应用仍存在显著差距。

中国科学院青岛生物能源与过程研究所研究员高军与山东大学教授刘鹏合作，提出了一种利用扩散–渗透机制来收集盐差能的新方法，不同于选择性机制的RED技术，该机制产生的电流源于双电层内界面渗透压梯度驱动的扩散–渗透流携带的净电荷，不依赖膜材料的离子选择性。

此前，利用单孔氮化硼纳米管、石墨纳米通道的研究已表明该机制有望实现超高功率密度的盐差能转换，但在膜尺度上仍缺乏相关研究。研究团队针对难以找到合适的膜材料匹配该机制开展研究，发现利用磺酸共价有机框架（COF）膜致密分布的磺酸基团、垂直排列的孔道结构，可以实现基于扩散–渗透机制的可规模化盐差发电。

在5M/0.5 MNaCl浓度梯度下，由于COF通道内的德拜长度（λ_D）不重合，因此该膜不具备电荷选择性，Na⁺和Cl^–的渗透测试进一步验证了这一结论。此外，扩散–渗透电流与活度比的对数呈线性关系，表明扩散–渗透机制主导了盐差能转换过程。此过程中，COF致密分布的磺酸基团提供了高电荷密度，增强了电双层内界面渗透压梯度，从而能有效产生扩散–渗透流，结合其垂直排列的一维孔道，能高效驱动离子输运。该方法避免了传统RED对膜选择性的依赖，克服了“通量–选择性”博弈和浓差极化等问题。在0.03mm²测试面积下，实现了101.2Wm^-2的最大功率密度，显著高于多数已报道材料。当膜面积放大两个数量级（~20mm²），功率密度仍能维持在~7Wm^-2。

该研究展示了一种抗缺陷、可规模化的扩渗盐差发电新机制，克服了传统RED技术的局限性，为实现规模化的盐差发电提供了新思路。

相关研究成果发表在《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）上。

论文链接

基于磺酸COF膜在不同盐度梯度下的盐差能转换机制

高功率密度且可规模化的盐差发电