近日，国家纳米科学中心研究员唐智勇和李连山(第8批会员)团队在单分子层COF膜用于盐差能转化领域的研究取得重要进展。相关研究成果以Advancing osmotic power generation by covalent organic framework monolayer为题于2022年4月25日在线发表在《自然•纳米技术》（Nature Nanotechnology）杂志 (Nat. Nanotechnol. 2022, DOI: 10.1038/s41565-022-01110-7)。

Nature Nanotechnology同期以Harnessing blue energy with COF membranes为题对本工作发表观点评述文章（Nat. Nanotechnol. 2022, https://doi.org/10.1038/s41565-022-01118-z）。

渗透能也被称作盐差能，是通过混合海水和河水获得的重要清洁能源。盐差能转化的关键是能够实现正负离子选择性和低阻力传输的选择性透过膜，即当正负离子在浓度梯度驱动下以不同的速度通过离子选择性膜时，将会在高浓度侧和低浓度侧之间产生电势差，从而在外电路产生电流。传统的聚合物离子交换膜通常能够实现正负离子的高选择性传输，但是其高膜电阻使得离子通过速度和电流密度低，从而导致能量输出功率密度很难超过商业化应用的5 Wm-2的最低标准。因此，在保持正负离子选择性的基础上提高膜电导及离子传输速率是解决问题的关键。

二维材料的超薄厚度导致的低膜电阻使其成为解决这一问题的理想材料。例如，在硫化钼单层上的单个纳米孔展现了超高的输出功率密度，然而传统单分子层膜，如单层硫化钼和石墨烯等，在降低膜电阻的同时存在两个致命缺陷：第一，通过自上而下的物理打孔方式难以构筑高密度和尺寸均匀的纳米孔；第二，低膜电阻导致的浓差极化现象使得单纳米孔的性能难以线性外推到多孔体系，即当孔密度非常高时，会使得膜两侧难以保持有效的浓度差，从而引起电流和电压的急剧下降，这一现象导致的单孔到多孔体系的性能衰减使得人们一度质疑盐差能转化的可行性。

为解决这一难题，研究团队通过预组装界面聚合反应，构筑了大面积的共价有机框架（COF）单分子层薄膜，在降低膜电阻的同时通过低孔间距导致的孔-孔耦合效应有效抑制浓差极化引起的电压和电流的下降。一方面，COF材料固有的高孔密度和单分子层的厚度使得膜传质阻力低至极限，从而极大的提高了膜电导和电流密度；另一方面，这一独特体系的高孔密度和低孔间距引起的新颖的孔-孔耦合效应是解决浓差极化引起的性能衰减的关键，即COF膜中的荷电纳米孔会对临近纳米孔产生影响，从而极大地抗衡浓差极化引起的电流和电压的下降。这一材料设计将盐差能转化的输出功率密度提高至创纪录的135 Wm-2。进一步，通过调控COF框架中卟啉分子的金属中心，可以实现真实海水/河水盐差梯度下高于300 Wm-2的输出功率密度。理论模拟研究发现，孔-孔耦合效应在孔间距低至4.5纳米时才会发生，成为高孔密度、低孔间距COF膜材料的独特特征，为新型盐差能转化材料的计提供了全新的理论支撑。

国家纳米科学中心博士杨金雷、副研究员涂斌为文章的共同第一作者；国家纳米科学中心唐智勇研究员、李连山研究员（第8批会员）为共同通讯作者。感谢国家纳米科学中心裘晓辉和方巧君团队在材料表征和理论模拟方面的支持。该工作获得国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院青促会项目及中科院战略性先导科技专项B类等项目的支持。

图：单分层COF膜低孔间距的强孔-孔耦合效应用于盐差能转化。（a）单层COF膜的合成及孔结构；（b）单层COF膜的厚度；（c，d）有序孔结构表征；（e）盐差能转化性能；（f，g）孔-孔耦合效应的理论模拟。

论文链接： https://www.nature.com/articles/s41565-022-01110-7

同期观点评述：https://www.nature.com/articles/s41565-022-01118-z