研究人员通过构成膜的纳米孔阵列实现控制离子流

在最近发表于《ACS Nano》杂志上的一项研究中，研究人员研究了如何通过构成膜的纳米孔阵列来控制离子流，以及如何通过这种控制使大规模应用该技术成为现实。

示意图描绘了纳米孔中离子选择性的栅极电压控制。图片来源:Makusu Tsutsui

如果膜是由带电材料制成的，那么纳米孔可以通过吸引带相反电荷的溶液离子来使电流通过它们。然后，带相同电荷的离子可以通过孔隙产生电流。这意味着孔隙材料非常重要，而选择孔隙材料是迄今为止控制流动和电流的方法。

然而，在一系列不同的材料中生产完全相同的孔结构以了解其相对性能是一项挑战。因此，研究人员决定研究另一种定制离子通过纳米孔膜流动的方法。

“我们不是简单地利用膜的基本表面电荷来控制流动，而是研究施加电压后会发生什么，”研究的主要作者Makusu Tsutsui解释道，“我们使用嵌入膜中的栅极电极来控制电压场，其原理与半导体晶体管在传统电路中的工作原理类似。”

研究人员发现，在没有施加电压的情况下，阳离子(带正电的离子)不会产生电荷，因为它们会被带负电的膜表面吸引。

然而，如果施加不同的电压，这种性能可以被调整，允许阳离子流动，甚至为阳离子提供完全选择性。这使渗透能量效率提高了六倍。

“通过提高构成膜的纳米孔表面的电荷密度，我们实现了15 W/m2的功率密度，”资深作者Tomoji Kawai说道，这对于技术进步而言是非常鼓舞人心的。

研究结果表明，纳米孔膜具有日常应用潜力。希望纳米孔渗透发电技术能够成为主流，为更可持续的能源未来提供蓝色能源。