纳通道的物质传输特性及应用(4)

2.4.1光驱动能量转化

太阳能是一种分布广泛、廉价而且清洁的能源,是解决能源危机的最佳选择[69,70]。通过将光捕获材料与纳通道进行结合,研究人员开发了一系列模拟光收集的人工系统。江雷等[71]通过将光酸分子(photo-acid molecules)修饰在纳通道一端,构建了人工光电转换系统。光照下,光酸分子吸收光能,同时释放质子,进而在通道内形成质子梯度,在通道两端形成电势差。翟锦等[72]则利用光系统II粒子作为光收集单元,与纳通道共同作用将光能转化为电能。

2.4.2压力驱动能量转化

利用压力驱动液体流过表面带电的纳通道,即可产生流动电流和流动电势,将机械能转化为电能。Dekker等[73]通过对高度为70 nm的单个硅纳米通道施加压力,得到了流动电流和流动电势。实验结果表明,表面电荷极性、双电层和流体流动性质对这一能量转化过程有很大的影响。流动电流随外加压力的增加而增加,随电解质浓度的增加而减小。此外,在低浓度条件下,离子迁移率和流体黏度的降低可以提升能量转换效率。郭万林等[74]将纳米多孔的炭黑片层负载到石英片上,并通过退火和等离子体处理,在其表面引入丰富的官能团,构建了水蒸发发电装置。将此装置部分浸入到去离子水中,即可在炭黑片两端电极之间产生高达1 V的开路电压。该开路电压能在长达8天时间内稳定维持在1 V,短路电流也可达到150 nA。后续研究证明,水的持续蒸发会使水流入到多孔的炭黑片层中,在炭黑片层表面官能团的作用下,产生很大的流动电位。通过将4个发电装置进行串联,可以得到高达4.8 V的输出电压。

2.4.3盐差驱动能量转化

将不同浓度的盐溶液,如海水和淡水,进行混合,即可产生能量。这是一种重要且储量巨大的清洁能源,也称为蓝色能源(blue energy)。近年来,纳通道因其高效的渗透能-电能转换效率而备受关注,其输出能量密度随着新材料和新技术的发展得到了极大的提升[75]。Bocquet等[76]将氮化硼纳米管(BNNT)插入SiN膜上的纳米孔内,构建了一种盐差能量收集装置。盐浓度梯度驱动电解质通过纳米孔,产生流动电势,这种跨膜纳米管(t-BNNT)器件产生的最大功率可以达到4 kW/m2。随后,Radenovic等[77]制备了MoS2单纳米孔进行盐差发电。由于该纳米孔具有单层超薄结构,并且表面电荷密度高,发电的功率可以达到约106W/m2。该课题组还进一步在体系中引入激光照射,利用MoS2在光照下表面电荷密度增加的特点,使发电功率进一步提高[78]。此外,通过将单个纳通道进行并联,形成多孔膜,理论上可以大大提升输出功率。然而,由于纳通道界面离子浓度极化区域的耦合,多孔膜体系的界面电阻使得通道内阻急剧增加,输出功率远小于理论值。为克服这一瓶颈,一方面可控制多孔膜中每个通道之间的距离,使浓度极化区域发生去耦合;另一方面,可增加通道表面电荷,以提高体系在高离子浓度下的能量转化效率[79]。

3 总结与展望

受到自然界中生物纳通道的启发,人们开发了具有各种结构和功能的纳通道,并将其成功应用于传感、分离、能源等领域。然而,基于纳通道的技术及纳米尺度的物质传输理论尚处于萌芽期,其进一步发展仍面临许多问题。一是如何制备超薄纳通道膜。超薄膜厚一方面可以提升纳通道在单分子检测过程中的分辨率,实现高精度分析;另一方面,还可以显著减小通道的内阻,增加离子通量,提升通道的能量转换效率。二是如何通过表面功能化有效调控通道界面性质,如获得高表面电荷密度、超亲水性、超疏水性等。纳通道的界面性质是实现纳米通道各种功能的关键,如高表面电荷可以大大增强通道的电荷分离能力,提升其能量转换效率。三是如何在纳米甚至亚纳米尺度下,实现纳通道结构和尺寸的精准加工。纳米限域效应是纳通道物质传输特性的根源,进一步将通道尺寸控制到亚纳米级别,可以引发一系列新的物理、化学变化,如溶液介电常数变化、离子脱水化等,有助于探索新的物质传输理论。纳通道为化学、材料学、光学、热学等学科交叉提供了一个平台,将各学科的前沿技术交叉应用到纳通道体系的研究中,将能推动纳通道技术的高速发展。

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文章来源：《传感技术学报》 网址: http://www.cgjsxb.cn/qikandaodu/2021/0502/353.html