納米流體膜具有表面電荷納米通道，其在納米尺度上智能控制離子傳輸具有優(yōu)異性能，從而被用于能量轉(zhuǎn)換。基于離子選擇性，納米流體膜在能量轉(zhuǎn)換、海水淡化和生物傳感器等領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用潛力，特別是梯度能量轉(zhuǎn)換。然而，在不喪失膜結(jié)構(gòu)完整性的情況下，在膜的垂直方向（即穿過膜）制造具有大量納米孔的納米流體膜仍然具有挑戰(zhàn)性。此外，大多數(shù)制備納米流體膜的方法不僅價格昂貴，而且工藝復(fù)雜，難以規(guī)?；拗屏似湓谀芰哭D(zhuǎn)換方面的實用性。因此，迫切需要一種經(jīng)濟(jì)高效、可擴(kuò)展的方法制備具有高離子電導(dǎo)率和機(jī)械強(qiáng)度的納米流體材料。
木材是地球上最豐富的生物資源之一，由于其層次結(jié)構(gòu)和各向異性，在能量-水關(guān)系中具有巨大的潛力。排列整齊的纖維素納米纖維、納米孔和帶負(fù)電荷的表面使木材成為天然纖維基納米流體材料。但是，木材在納米流體中的應(yīng)用受到其難處理性的限制。同時，天然木材細(xì)胞的表面電荷相對較低，限制了離子導(dǎo)電性能。天然木材在水中的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性也限制了其實際應(yīng)用。此外，需要通過旋轉(zhuǎn)切割使離子傳輸方向垂直于纖維素原纖維（縱向）方向的大型木板，以進(jìn)一步增強(qiáng)納米流體木材膜的可伸縮性。
近日，美國馬里蘭大學(xué)胡良兵教授（通訊作者）等人報道了一種基于balsa-木材水凝膠的納米流體膜，具有高離子電導(dǎo)率和機(jī)械強(qiáng)度，可用于鹽度梯度能量收集。首先通過部分脫木素去除大部分半纖維素和部分木質(zhì)素，然后通過聚乙烯醇（PVA）/丙烯酸（AA）原位聚合在木材通道內(nèi)形成聚合水凝膠，制備了balsa-木材水凝膠膜，其對木材的體積通道起到阻斷劑的作用，增加了表面電荷密度和納米流體通道。利用工業(yè)上采用的旋轉(zhuǎn)切割方法，可以大規(guī)模制造balsa-木材水凝膠膜。聚合物水凝膠在木材結(jié)構(gòu)中的滲透不僅有利于離子傳輸，而且由于纖維素纖維之間形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和氫鍵，提高了balsa-木材的機(jī)械強(qiáng)度。所制備的balsa-木材水凝膠膜是由排列整齊的纖維素纖維組成，在水溶液中穩(wěn)定，并且由于表面帶負(fù)電，因此呈現(xiàn)出高的帶正電離子選擇性（K+在Cl–上的選擇性離子擴(kuò)散）。
對比天然木材，木材水凝膠膜在徑向（R）和沿縱向（L）的強(qiáng)度高出了3倍（52.7 MPa），離子電導(dǎo)率高出2個數(shù)量級。在低鹽濃度（高達(dá)10 mM）下，木材水凝膠膜-L的離子電導(dǎo)率為1.29 mS cm-1，木材水凝膠膜-R為近1 mS cm-1。木材水凝膠膜在強(qiáng)度、離子導(dǎo)電性、排列和可拉伸性方面優(yōu)于許多具有代表性的納米流體材料。其具有較高的離子電導(dǎo)率和選擇性，可以在無需外加電源的情況下獲得鹽度梯度能量并產(chǎn)生電輸出。這些結(jié)果顯示了木質(zhì)材料發(fā)電的潛力，為藍(lán)色能源的利用提供了一條可持續(xù)的途徑。
掃描電子顯微鏡（SEM）圖顯示了天然balsa-木的雙峰3D互連微觀結(jié)構(gòu)，其中管胞與大導(dǎo)管通道共存。PVA/PAA水凝膠滲透使得寬導(dǎo)管通道、管胞等被完全阻斷。水凝膠前體可以穿透大尺寸導(dǎo)管通道，形成通道內(nèi)具有交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。具有豐富納米孔的互連納米流體網(wǎng)絡(luò)，其充當(dāng)離子傳輸路徑。由于化學(xué)處理后引入了豐富的-COOH和-OH，木材表面電荷密度由-1.49增加到-2.53 mC m-2，有利于離子的傳輸。脫木素后纖維素原纖維的更多羥基暴露可導(dǎo)致PVA/PAA水凝膠與纖維素原纖維之間的相互作用增強(qiáng)，有助于膜的優(yōu)異機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性。
通過軸向（L）和橫向（R）的balsa-木材水凝膠膜的圖像發(fā)現(xiàn)，當(dāng)沿著縱向切割時，木材水凝膠-R中的跨膜離子傳輸主要沿著排列的纖維素纖維，當(dāng)平行于縱向切割時，木材水凝膠-L中的跨膜離子傳輸主要穿過排列的纖維素纖維。在低鹽濃度下，天然木材-R的離子電導(dǎo)率約為4.33×10-5 S cm-1，是天然木材-L（1.98×10-5 S cm-1）的兩倍。而木材水凝膠-R和木材水凝膠-L的離子電導(dǎo)率分別為1.29×10-3 S cm-1和9.70×10-4 S cm-1，分別是天然木材-R和天然木材-L的30倍和50倍。此外，木材水凝膠膜-L在干燥條件下表現(xiàn)出52.7 MPa的高強(qiáng)度，在含水量為64 wt%時具有15.4 MPa的拉伸強(qiáng)度，比純水凝膠高380倍。木材水凝膠膜-R在干燥和潮濕條件下的拉伸強(qiáng)度分別為10.7和0.48 MPa，也遠(yuǎn)高于純水凝膠。結(jié)果表明，增強(qiáng)的氫鍵有助于提高木材水凝膠的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性，木材水凝膠膜-L具有集成的高拉伸強(qiáng)度和優(yōu)異的離子導(dǎo)電性。
在不同鹽度梯度下，從電壓和電流軸上截獲的電壓和電流觀測到開路電壓（Voc）和短路電流（Isc）。結(jié)果表明，木材水凝膠膜的Isc是在K+對Cl–的選擇性正電荷離子從高濃度到低濃度時觀察到，表明膜具有陽離子選擇性。在10-1000倍的鹽濃度梯度下，天然木材的電位從17 mV增加到84 mV，而Isc從0.15 μA增加到1.2 μA。對于木材水凝膠膜電位從64 mV增加到125 mV以上，Isc則從1.1 μA增加到3.1 μA。在1000倍鹽濃度梯度下，木材水凝膠膜的最大輸出功率密度可估計為0.56 mW m-2，幾乎是天然木材的4倍。
Scalable Wood Hydrogel Membrane with Nanoscale Channels. ACS Nano, 2021, DOI: 10.1021/acsnano.0c10117.
https://doi.org/10.1021/acsnano.0c10117.
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