复旦大学孔彪课题组Adv. Mater.: 多级非对称通道用于智能感知离子传输
膜材料
导语：
存在于海水与淡水之间的盐差能被认为是一种新型的清洁能源。具有独特离子传输行为的纳米通道被广泛用于盐差能的捕获。目前，各种纳米材料用于构筑纳米通道器件。因为非对称纳米通道可以缓解盐差能转换过程中的浓差极化现象，所以他们被广泛用于高性能盐差能的捕获。然而，现存的非对称纳米通道大多只存在单极非对称结构以及单个离子选择层，这限制了他们的离子选择性以及盐差能转换能力。另外，纳米通道成分的单一性限制了其智能离子传输性能。近日，复旦大学孔彪研究员课题组在该领域取得新进展，相关研究成果发表在Adv. Mater.（DOI: 10.1002/adma.202208903）。
前沿科研成果：发展多级非对称、双离子选择层的纳米通道并用于智能感知离子传输
通过超组装策略，在AAO表面分别旋涂介孔氧化硅与介孔聚合物。经过蒸发诱导自组装以及煅烧过程，便可得到最终的介孔碳/氧化铝/介孔氧化硅（MC/AAO/MS）纳米通道。MC/AAO/MS具有丰富的孔隙率、有序的孔道结构，为离子传输提供了丰富的途径。同时，MC以及MS表面具有丰富的负电荷，为MC/AAO/MS提供了双离子选择性层。多组分通道赋予了MC/AAO/MS智能离子传输性能。
图1. 多级非对称的MC/AAO/MS构筑策略图（来源：Adv. Mater.）
MC/AAO/MS的非对称结构使得其呈现出智能整流性能。通道内丰富的表面电荷确保了其可控的离子传输行为。双离子选择层的存在，一方面赋予了MC/AAO/MS更强的表面电荷控制能力，比其他单极非对称纳米通道呈现出更高的离子电导；另一方面导致MC/AAO/MS呈现出更高的离子选择性。实验以及理论计算结果均表明，多级非对称结构以及双离子选择层是导致MC/AAO/MS产生高离子选择性的原因。另外，非对称结构使得MC/AAO/MS优先将离子从MC一侧传输到MS一侧，呈现出智能离子传输行为。
图2. MC/AAO/MS离子传输图（来源：Adv. Mater.）
由于MC、AAO以及MS层的表面电荷可以通过pH进行调控，因此MC/AAO/MS可以感知pH，进而实现pH调控的智能门控性能以及离子选择性。由于MS层具有非常好的质子传输能力，所以在低的pH下，MC/AAO/MS可以实现高的离子电导；而MC在碱性条件下具有更高的表面电荷，所以MC/AAO/MS在高的pH下亦呈现出更高的离子电导。另外，通过调节pH可以改变纳米通道的电荷极性，因此MC/AAO/MS可以感知外界pH，实现智能离子选择性传输。
图3. MC/AAO/M智能pH门控性能（来源：Adv. Mater.）
最后，研究了该智能纳米通道的盐差能转换性能。得益于双离子选择层的存在，MC/AAO/MS呈现出更高的阳离子选择性以及优越的盐差能转换性能。相比较于其他单极非对称的纳米通道膜，MC/AAO/MS可以更好地抑制浓差极化现象。即使在高的测试面积下，MC/AAO/MS仍然可以实现高的盐差能转换性能。该工作提供了一种新的策略，通过制备具有多级非对称结构、双离子选择层的智能纳米通道器件用于高性能的盐差能转换。
图4. MC/AAO/MS的高效盐差能转换性能（来源：Adv. Mater.）
该工作近期发表在《先进材料》上（Adv. Mater. 2022, DOI: 10.1002/adma.202208903），复旦大学博士研究生周姗为第一作者，复旦大学孔彪研究员为通讯作者。研究工作得到了国家重点研发计划基金、国家自然科学基金的资助。
孔彪课题组简介：
课题组研究方向：
1. 超组装智能材料制备与芯片集成用于医学传感及探测界面工程
2. 超组装智能材料与微纳马达用于光电子传感及疾病诊断与治疗
3. 超组装智能材料及微型化仿生新能源器件用于可穿戴传感研究
4. 超组装智能材料与薄膜器件用于感知离子传输与能源转化系统
课题组主页：https://saflab.fudan.edu.cn/
孔彪研究员简介：
孔彪，国家重点研发计划首席科学家、国家&上海市高层次人才、复旦大学研究员/博士生导师、复旦大学山东研究院常务副院长。主要开展超组装SAFs智能材料与器件制备集成，面向超组装软界面仿生材料设计及组装、软界面智能传感与探测芯片集成、新型微型化可植入感知器件构建、新型微型化可植入新能源器件构建的研究和应用开发，致力于为传感检测、软界面电子光电子器件、仿生软界面储能器件等领域提供高效可持续的软界面智能材料及器件。目前已发表包括Nature Chem., Science Adv., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem., Adv. Mater.在内的SCI论文120余篇，总被引11000余次，H指数49。获候德榜化工科技青年奖、中国化工学会科学技术奖、上海市优秀发明选拔赛金奖、科技部重点专项优秀青年奖、联合国工发组织科学技术进步奖、上海市自然科学一等奖、孔子教育基金会优秀科学家奖、中国分析测试协会科学技术奖（CAIA奖）一等奖、上海市青少年发展创新市长奖、中国教育部“博士研究生学术新人奖”、“陶氏化学可持续发展创新奖”一等奖、澳大利亚Monash大学优秀博士论文校长奖、宝钢教育基金会特等奖等。任国际Frontiers系列刊物副主编，《中国化学快报》Chinese Chemical Letters（CCL）以及Mater Today Sustainability编委。