1月6日，浙江大学生物系统工程与食品科学学院应义斌教授团队（IBE）在《先进科学》（Advanced Science）上发表研究论文Anion-Selective Layered Double Hydroxide Composites-Based Osmotic Energy Conversion for Real-Time Nutrient Solution Detection。该研究报道了一种阴离子选择性纳米流体通道（图1），具有良好的稳定性并能实现从盐差能向电能的能量转换。

图1. LDHs阴离子选择性纳米流体通道

  在自然界的生物体内，嵌入于磷脂双分子层的不对称结构的离子通道通过调控纳米级或分子级的物理化学因子和几何结构，可高效地调节离子跨膜运动。MacKinnon（2003年诺贝尔化学奖得主）在1998年发表了一篇关于钾离子通道的文章，其中阐述了钾离子传导及选择性传输的分子机制，为仿生纳米流体通道学奠定了基础。近些年来，大量研究模仿生命体中离子通道的功能和原理，依靠化学、物理、高分子材料和纳米技术等多领域交叉协作，构建更稳定的人工纳米流体通道，并将其应用于离子筛选、传感检测和能量转换等领域。特别地，纳米流体通道在不同浓度的离子溶液环境下，凭借其对特定电荷离子的选择性，可将离子溶液混合产生的吉布斯自由能转换为电能。根据所筛选的离子的性质，纳米流体通道可分为阳离子选择性和阴离子选择性，两者均为反向电渗析（Reverse Electrodialysis, RED）的必要组成。研究表明两种纳米流体通道的联用不仅可提升RED系统的驱动力，而且能够提高能量利用效率。然而现有的大部分研究聚焦于阳离子选择性纳米流体通道，有关阴离子选择性纳米流体通道的研究甚少。

  本研究构建了一种阴离子选择性纳米流体通道，修饰于其中的二维纳米材料，即正电性层状双金属氢氧化物（Layered Double Hydroxides, LDHs）赋予了纳米流体通道对阴离子的选择性。通过对纳米流体通道性状的调控，该研究制备的纳米流体通道具有优异的盐差能转换性能和稳定性，其在0.5 M/0.01 M的NaCl环境下的发电功率可达2.85 W/m2。

  除了实验探究，本研究还从理论角度分析并总结了该阴离子纳米流体通道的性状对自身能量转换性能的影响机制（图2）。研究中采用通道长度、通道直径及表面电荷密度三个物理量来表征LDHs的生长对纳米流体通道特性产生的影响。研究人员发现LDHs的生长会同时影响纳米流体通道的离子选择性和渗透电导，而离子选择性和渗透电导又决定了纳米流体通道的能量转换性能。

图 2. LDHs阴离子选择性纳米流体通道性状对离子传输的影响机制研究

  进一步地，本研究依据纳米流体通道将离子浓度信息转换为电信号的特性，将其应用于水培生产中营养液离子浓度实时监测，为农业信息感知提供了新思路。

  该研究论文的第一作者为浙江大学IBE团队的硕士研究生刘雅倩，通讯作者为应义斌教授。本研究受到了国家自然科学基金的资助支持。

来源：浙大生工食品