碳具有快速水傳輸、分離分子和離子和高效滲透能量轉(zhuǎn)換等性質(zhì)，因此已成為納米流體學(xué)中的獨(dú)特材料。然而，由于缺乏對納米級離子傳輸?shù)幕纠斫?，其中的許多現(xiàn)象仍在等待適當(dāng)?shù)暮侠砘?，而納米級離子傳輸只能在受控環(huán)境中實現(xiàn)。

二、成果掠影

來自巴黎大學(xué)的Alessandro Siria和Lydéric Bocquet團(tuán)隊開發(fā)了“活性”二維碳納米通道的制造方案，與具有“原始”石墨壁的納米導(dǎo)管相比，這種方案能夠非常詳細(xì)地研究納米級離子的輸運(yùn)過程。實驗表明，活性炭納米通道在表面電氣化、離子電導(dǎo)、電流流動和（表觀）滲透電流方面高于原始通道幾個數(shù)量級。詳細(xì)的理論框架使我們能夠?qū)⒒钚蕴考{米通道的增強(qiáng)離子傳輸歸因于高表面電荷和低摩擦的最佳組合。此外，本文證明了在活性炭納米通道上從鹽度梯度中收集能量的獨(dú)特潛力，其單孔功率密度達(dá)到每平方米數(shù)百千瓦，遠(yuǎn)超目前可選擇的納米材料。相關(guān)工作以題為“Enhanced nanofluidic transport in activated carbon nanoconduits”的研究性文章在“Nature Materials”上發(fā)表。

三、核心創(chuàng)新點(diǎn)

本文開發(fā)了“活性”二維碳納米通道的制造方案，與具有“原始”石墨壁的納米導(dǎo)管相比，這種方案能夠非常詳細(xì)地研究納米級離子的輸運(yùn)過程。

實驗表明，活性炭納米通道在表面電氣化、離子電導(dǎo)、電流流動和（表觀）滲透電流方面高于原始通道幾個數(shù)量級。

四、數(shù)據(jù)概覽

圖1| 納米流體 2D 通道和測量設(shè)置。? 2022 Springer Nature Limited

a）實驗裝置。電壓 ( V )、壓力 ( P ) 或濃度 ( C )用于在兩種不同類型的石墨烯二維納米通道上感應(yīng)離子電流。灰色紋理區(qū)域是石墨，藍(lán)綠色陰影區(qū)域是硅，金色陰影區(qū)域是氮化硅。紅色箭頭表示流體路徑。

b ）原始通道。左：示意圖，其中氮化硅膜為綠灰色，底層為黑色，間隔物為藍(lán)色，頂層為玻璃狀透明灰色。右：AFM 圖像，顯示了沿白色虛線的橫截面。

c) 活性通道。左：示意圖，氮化硅膜為綠灰色，帶有研磨納米通道的底層為黑色，頂層為玻璃狀透明灰色。中間：AFM 圖像，其下方黑色虛線的橫截面顯示頂層通過孔在底層上的有限下垂，證實了良好的層間接觸。右圖：通道的 AFM 擴(kuò)展圖像，沿黑色虛線顯示橫截面。

d) 通過 SEM milling產(chǎn)生的原始石墨表面和活化石墨表面的拉曼表征。

圖 2|穿過原始通道和活性通道的離子傳輸。? 2022 Springer Nature Limited

a–d）原始通道：

a)壓降下的離子電流，每個通道都進(jìn)行了歸一化。插圖顯示了原始納米通道的橫截面示意圖。

b）相對于pH 5.5時的鹽濃度時的電導(dǎo)率，每通道都進(jìn)行了歸一化。菱形符號是實驗數(shù)據(jù)點(diǎn)。

c）壓降下的電流流動，每個通道都進(jìn)行了歸一化，適用于各種鹽濃度（pH 5.5）。

d）表觀 zeta 電位與鹽濃度的關(guān)系（pH 5.5）。

e–h）活性通道：

e）壓降下的離子電流，每通道都進(jìn)行了歸一化。插圖顯示了活性納米通道的示意圖橫截面視圖。

f）電導(dǎo)率與鹽濃度的關(guān)系，每通道都進(jìn)行了歸一化。

g） 壓降下的電流流動，每通道都進(jìn)行了歸一化，適用于各種鹽濃度（pH 5.5）。誤差線是五個測量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

h）表觀 zeta 電位與鹽濃度的關(guān)系 （pH 5.5）。圓圈符號是實驗數(shù)據(jù)點(diǎn)。

圖3| 原始通道和活性通道的電導(dǎo)率增強(qiáng)。? 2022 Springer Nature Limited

a–d）電導(dǎo)率增強(qiáng)的 K/K_b 與濃度的關(guān)系，其中 K_b = 2μe²C_s，是預(yù)測的體電導(dǎo)率 （pH 5.5），分別對應(yīng)于系統(tǒng) B：厚度 h = 10 nm 的原始通道（a），系統(tǒng) A：厚度 h = 15 nm 的原始通道 （b），系統(tǒng) F：具有活化表面且厚度為 8 nm 的通道 （c）和系統(tǒng) D：具有活化表面和厚度為 10 nm （d） 的通道。

圖4| 原始通道和活性通道的滲透能性能。? 2022 Springer Nature Limited

a）原始通道（系統(tǒng) C）和活性通道（系統(tǒng) D、系統(tǒng) E、系統(tǒng) F、系統(tǒng) G和系統(tǒng) H） 在 pH 值 5.5 時的性能。

b，c）產(chǎn)生的滲透凈功率P（b）和單孔功率密度P^*（c）與濃度的比值。圖例與在 a 中相同。

五、成果啟示

將大量水與不同鹽度混合產(chǎn)生能量轉(zhuǎn)換的方法十分新奇。雖然理論上每立方米水可以捕獲多達(dá)0.7千瓦時的能量，但到目前為止，能源提取過程的效率仍然是一個根本性的和技術(shù)性的挑戰(zhàn)。本文表明，活性炭上的外延滲透電流是從鹽度梯度中促進(jìn)滲透能量收集的有用方法。單孔品質(zhì)因數(shù)可用于篩選在滲透能量轉(zhuǎn)換方面具有增強(qiáng)性能的新型納米材料。人們預(yù)計，其他因素（如孔隙密度、濃度極化和入口阻力）將影響在大規(guī)模收集滲透功率時從微觀升級到宏觀時的膜的滲透性能。本文表明：電子輻照下的石墨的強(qiáng)帶電機(jī)制為大規(guī)模制備活性炭基膜提供了新的途徑。

第一作者：Theo Emmerich

通訊作者：Alessandro Siria，Lydéric Bocquet

通訊單位：巴黎大學(xué)

DOI：https://doi.org/10.1038/s41563-022-01229-x

本文由SSC供稿。