齐鲁工大/山东省科学院王振教授团队 AFM：利用“自下而上”策略合成类细胞壁结构的抗膨胀水凝胶用于渗透能收集

2025-03-27 来源：高分子科技

能源转型背景下，渗透能技术以其环境适应性与高效能转化特性成为清洁能源研究前沿，其中反向电渗析（RED）的核心突破点在于离子选择性膜的性能优化。尽管二维膜技术持续发展，但制备复杂度与成本问题仍阻碍其规模化应用。研究表明，三维网络聚电解质水凝胶通过带电单体构建的多孔架构，兼具高离子选择性与低成本优势，显著推进渗透能技术实用化进程。该材料虽存在过度亲水引发的膨胀形变问题，导致机械/电化学性能衰退，但通过双网络构建、疏水改性及物理交联等协同策略已实现体系稳定运行，证实其长期收集渗透能的工程可行性。进一步简化制备工艺并强化环境兼容性，将成为该材料产业化应用的关键突破方向。

图1 CMC-pAA-DLS凝胶网络结构模型

近期，齐鲁工业大学（山东省科学院）环境科学与工程学院王振教授团队合成了一种新型植物质基水凝胶，用于渗透能收集。该水凝胶从植物细胞壁结构的角度出发，通过“自下而上”的策略将木质素与纤维素组合形成具有类细胞壁结构的植物质水凝胶。CMC-pAA-DLS凝胶不仅通过对环境友好的植物质材料模拟出的植物细胞壁结构来使其在工作环境中长时间保持稳定使其溶胀率仅有0.385，而且实现了10.10W·m^-2的渗透能输出功率密度(远高于5 W·m^-2的商业应用标准)以及有着高达99.10%的离子选择性。CMC-pAA-DLS凝胶于渗透能收集领域展现出较高的性能优势，在实际应用场景中更是有着巨大的潜力在促进绿色材料的高效运用方面，为相关研究开辟了新的路径，提供了更为广阔的思考方向。

图2 改性木质素磺酸钠与CMC-pAA-DLS凝胶的合成。

图3 (a) CMC-pAA-DLS水凝胶图像；(b) CMC-pAA-DLS水凝胶的SEM图像；(c) CMC-pAA-DLS水凝胶的接触角；(d)溶剂交换前后应力-应变曲线；(e)木质素磺酸钠（LS）、炔化木质素磺酸钠（ALS）和双键木质素磺酸钠（DLS）的FTIR光谱；(f)不同组分水凝胶的溶胀质量和溶胀比；(g)不同组分水凝胶的应力-应变曲线；(h)不同组分水凝胶的ATR-FTIR光谱；(i)溶剂交换前后CMC-pAA-DLS水凝胶的XRD谱图。

图4 CMC-pAA-DLS水凝胶中的离子输运调控。(a)离子输运通道微观结构示意图；(b)单离子通道加速阳离子通道示意图；(c) CMC-pAA-DLS水凝胶前驱体溶液的Zeta电位。(d)用电路仿真原理图说明开路电压的组成；(e) 10-100倍NaCl浓度梯度下的阳离子选择性和能量转换效率；(f) CMC-pAA-DLS水凝胶在0.5 M NaCl溶液（阳离子等效常数Na/Cl=28/17）中浸泡6 h后表面Na原子和Cl原子的扫描电子能谱图；(g) 0.01/0.5 M NaCl正、反向浓度梯度下CMC-pAA-DLS的C-V曲线；(h)不同离子电解质在50倍浓度梯度下的水凝胶输出功率密度。

图5 CMC-pAA-DLS基水凝胶的渗透能输出性能。(a)渗透能输出装置示意图；(b)不同组分水凝胶的渗透能输出功率密度；(c)不同木质素含量CMC-pAA-DLS水凝胶的渗透能输出功率密度；(d)不同CMC含量CMC-pAA-DLS水凝胶的渗透能输出功率密度；(e)不同厚度CMC-pAA-DLS水凝胶的C-V曲线；(f) CMC-pAA-DLS凝胶连续运行2500秒的V-T曲线；(g)不同试验区下的最大输出功率密度；(h)不同盐度梯度下渗透能输出功率密度；(i)真实海水/湖水与实验室模拟海水功率密度对比。

相关研究成果以“Synthesis of Mimicking Plant Cell Wall-Like Anti-Swelling Hydrogels Based on a “Bottom-Up” Strategy and Their Application in Osmotic Energy Harvesting”为题发表在Advanced Functional Materials（2025, 10.1002/adfm.202502946）期刊上。齐鲁工业大学环境科学与工程学院研究生张卓文为第一作者，齐鲁工业大学王振教授和复旦大学研究生王心睿为共同通讯作者。本文作者感谢山东省自然科学基金；中国民航大学省部级科研院所高校开放式合作基金；自然科学基金；济南市科技局项目的资助支持。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202502946

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（责任编辑：xu）

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