渗透能是一种以不同浓度的溶液之间的水压差而产生的能量发电的可再生能源，其产出的能量不仅可预测，而且产量稳定。作为收集流体中现有能量的可持续方法，有两个主要过程：反向电渗析（RED）和压力延迟渗透（PRO）。其中，离子交换膜（IEM）是RED系统的关键要素，所以最新的IEM开发和应用至关重要。然而，要使RED成为具有商业竞争力的可再生能源，其输出功率密度至少达到5.0 W m-2的标准，以满足海/河水系的工业发展要求。因此，组装高性能、应用广泛的薄膜材料，从盐度梯度中提取动力，是很有必要的。在天然一维（1D）组件中，β-折叠的蚕丝纳米纤维（SNF）具有优异的机械性能，在生物医学、纺织品等领域具有巨大应用潜力。在这些结构中，-OH和-NH基团构成亲水结构域，而-CH基团构成疏水结构域。
基于此，中国科学院理化技术研究所的闻利平研究员、孔祥玉和江雷院士等人报道了一种用于收集渗透能的分层纳米流体装置，该装置主要由连接电化学电池两个隔室和循环溶液的GO/SNF/GO薄膜组成。当该装置运行时，在由复合膜分隔的两种溶液的界面处会出现化学势梯度，因此可以将渗透势转换为电能。此外，作者还采用了一种简便的真空过滤策略构建了柔性复合薄膜，该薄膜由2D GO纳米片和1D SNF交联组成，可以用作纳米级锁。所制的GO/SNF/GO薄膜保留了所需的多层夹心结构和机械性能，在盐水中具有出色的长期稳定性。通过混合天然海水和河水，该复合薄膜的渗透能转换功率密度达到5.07 W m-2（超过5.0 W m-2）。此外，由于离子移动范围和电极反应活性的提高，热场作为辅助因素有助于提高输出功率密度，在50 ℃时，可以提高77.5％。总之，实验和理论结果都为利用热渗透流策略改善渗透能转换的潜力提供了证据。
【图文解读】
研究发现，GO/SNF/GO复合薄膜在364 MPa拉伸强度下，最佳SNF含量为78.7 wt％。将SNF含量从0增加到82.2 wt％时，GO/SNF/GO薄膜的韧性从1.01增加到12.51 MJ m-3、拉伸强度从52增加到364.2 MPa，最佳SNF含量为78.7 wt％。对比天然丝、天然珍珠质和其它GO基复合材料，GO/SNF/GO薄膜具有优异的性能，并且在拉伸强度和韧性之间有更好的平衡。此外，利用全原子分子动力学（MD）模拟来了解SNF含量对机械性能的影响。结果表明，SNF与GO表面之间的界面非键能和氢键显着增加，直至SNF的质量比为77.8％。但是，由于排斥相互作用，GO薄板和SNF之间的氢键和非键相互作用能以较高的质量比被削弱。
作者利用GO/SNF/GO薄膜（SNF含量为78.7 wt％）在电化学电池中进行离子电流-电压（I-V）测量，以了解跨膜离子传输的本质。在暴露于密闭环境的不同pH条件下，相应的电流在60 min内均呈现连续输出，表明跨膜离子传输稳定。同时，电导率还取决于盐浓度，并在低盐浓度（接近10-4 M）时达到饱和。作者还发现通过pH值可以调节表面电荷密度，从而改变离子跨膜的行为。此外，电导率随pH值的增加而增加，表明在GO/SNF/GO薄膜表面上累积了其它负电荷。SNF极大增加了复合薄膜中的负电荷，从而促进了阳离子的转运。需注意，当盐浓度梯度从1-104时，渗透电流（IOC）保持轻微增加，但当盐浓度梯度超过104时，IOC急剧增加，电阻从5630 kΩ到238.6 kΩ。通过从不同浓度的电极-溶液界面中减去Eredox来获得实际的渗透压，随着盐梯度从10增加到5×106，能量转换效率从14.7％下降到7.5％。
在薄膜的表面和横截面上进行能量色散X射线光谱（EDX）映射，发现其具有离子收集的功能，特别是由于表面负电荷导致的阳离子的收集。利用电子负载电阻器RL将功率传输到外部电路来评估渗透功率输出，发现输出功率密度先增加，后稳定超过两周，具有长期稳定性。随着测试时间的延长，还观察到了产生的渗透电流的强烈增加。作者利用三个盐度梯度（0.01 M/0.05 M、0.01 M/0.5 M和0.01 M/5 M）来研究渗透能转换，随着负载电阻的增加，外部电路的电流密度会全部降低。对于5、50和500倍盐度梯度，记录的功率密度分别达到0.62、5.07和16.2 W m-2的值，相应的渗透能转换效率分别为44.3％、27.2％和16.4％。需注意，文中器件达到以下目标：对于海/河水系统，功率密度应达到至少5.0 W m-2的标准。该复合薄膜对于高盐度溶液，最大输出功率密度可达到16.2 W m-2。
作者采用了热场作为辅助因子以进一步提高渗透能转换效率。在热渗透流系统中，温度范围为-20℃-50℃，且该器件在环境温度低至-10℃时执行工作。随着温度升高到40℃以上，在50倍盐度梯度下，输出功率密度迅速增加到9 W m-2。此外，通过这些发现，作者获得了利用低温热能改善渗透能转化的途径。需注意，发电厂和太阳能电池板可以在较低的温度范围内提供大量的热能，这种热能的使用范围也更广，获得难度也较小。因此，将渗透和低度热量相结合可以进一步改善功率输出性能。
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