基于溶解再生过程的纤维素膜收集海洋盐差能

摘要

针对当前海洋盐差能收集器件中设计的石油基材料(例如聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯以及聚醚醚酮等)和二维纳米材料(例如氧化石墨烯、二硫化钼以及氮化硼等)的不可再生性、难降解性以及复杂制作工艺和高昂成本等问题,笔者以广泛存在于自然界中的天然木质纤维素为原材料,基于氯化1-烯丙基-3-甲基咪唑型离子液体对木质纤维素的溶解再生特点构建了低成本、高性能且可大规模生产的再生纤维素膜。该再生膜除了具有纤维素本征的可再生可降解性,还具有较小的孔径(3.06 nm)、适中的表面电荷密度(Zeta电位为-25 mV)以及较高的离子电导率(0.07 mS/cm)。这些特征赋予再生纤维素膜优异的离子选择性和较快的离子传输速率,在5倍盐浓度差下可实现17 mV的开路电压、2.53μA的短路电流,在500倍盐浓度差下可实现29 mV的开路电压、8.01μA的短路电流。此外,在5倍盐浓度差和500倍盐浓度差条件下,该纤维素膜的最大输出功率密度分别为0.02和0.40 mW/m 2。进一步探究了纤维素的质量分数对纤维素膜性能的影响,结果表明6%质量分数的纤维素膜可以构建具有更高输出功率密度的器件,最大输出功率密度为0.40 mW/m 2,而4%和8%纤维素膜的最大输出功率密度分别为0.12和0.24 mW/m 2。研究构建的再生纤维素膜不仅可以为海洋盐差能的收集提供绿色低成本的原材料,还可以为天然木质纤维素的高值化应用开辟新的发展方向。