纤维素纳米流体系统的可控构建及高效离子传输机制

Nanofluidic systems have important application values for biosensing, water treatment, and energy storage/conversion. Cellulose-based nanofluidic systems exhibit robust mechanical property, excellent stability, and biocompatibility, which has a broad application prospect in biosensing and related fields. However, the influencing mechanisms on ion transport based on cellulose nanofluidic systems is still unclear. In the present research, with the arm to interpret the ion transport mechanisms based on cellulose nanofluidic systems, the ion transport behaviors will be investigated in the perspective of surface charge properties and the structure of nanofibrillated cellulose (NFC). The methods for tailoring the surface charge property of NFC and their influence on the property of ion transport will be discussed. Furthermore, the approaches for tailoring the highly ordered structure of NFC and the influence on the mechanical property and ion transport efficiency will be deeply investigated to allow a better understanding the relationship between them. This study will provide effective routs to the development of robust, stable, and biocompatible biomass based nanofluidic systems and have great realistic significance for realizing their application in biosensing.

纳米流体系统在生物传感、水处理和能量存储/转换等方面具有重要的应用价值。纤维素纳米流体系统具有机械性能优异、稳定性良好和生物相容性，在生物传感等相关领域具有广阔应用前景。然而，纤维素纳米流体系统离子传输性能的影响机制尚不清楚。本项目从纤维素纳米流体系统离子传输机制这一关键科学问题出发，提出从纳米纤维素表面电荷性质和结构调控角度研究纤维素纳米流体系统离子传输行为的新方法，重点研究纳米纤维素表面电荷性质调控途径及对离子传输性能的影响，进而获得表面电荷对纤维素纳米流体系统离子传输性能的影响规律。在此基础上，通过研究纳米纤维素高度有序取向结构的调控途径及对纳米纤维素流体系统机械性能和离子传输性能的影响规律，揭示纳米纤维素结构对纤维素流体系统机械性能和离子传输效率的影响机制。研究结果对于构建具有机械强度高、稳定性和生物相容性良好的生物质基纳米流体系统，实现其在生物传感等领域的应用具有重要的现实意义。

纳米流体膜在生物传感、水处理和能量存储/转换等领域具有广泛的应用， 其中，具有高离子选择性的纤维素纳米流体膜因其优异的机械性能和结构特性引起了科学家的研究兴趣。深入理解纤维素纳米流体膜中离子选择性传输行为和机制，探索其离子传输性能调控途径，对拓展纳米流体系统的应用范围，改善其使用性能具有十分重要的意义。本研究首先构建了一系列具有纳米通道的纤维素纳米流体膜，通过2,2,6,6－四甲基哌啶－1－氧基自由基（TEMPO）氧化法和醚化法改性实现了对纳米纤维素表面电荷性质的调控，进而实现其对离子传输行为的控制；通过TEMPO氧化过程中对氧化剂NaClO用量的控制，实现了纳米纤维素表面电荷密度对离子传输性能调控，揭示了纳米纤维素表面电荷性质和表面电荷密度对离子传输行为影响规律，阐明了纤维素纳米流体系统中离子在纳米通道中的传输机制。通过拉伸取向法，改变纤维素纳米流体膜中离子传输通道的有序性，揭示了离子通道有序度对离子传输性能的影响机制及规律。此外，通过引入二维层状纳米材料，包括氧化石墨烯、MXene，构建了一系列良好稳定性的具有二维离子通道的纤维素基纳米流体膜。通过调控纳米纤维素与二维纳米材料的配比及二维纳米材料氧化刻蚀程度，分别实现了对纤维素基纳米流体膜中离子通道尺寸和通道孔隙率的调控，揭示了其对离子传输性能的影响规律。采用光自由基聚合反应，构筑了具有三维纳米离子传输通道的双网络细菌纤维素基纳米流体膜，相互贯通的三维多孔网络结构显著降低了离子传输能垒和内阻，改善了离子传输性能。揭示了取向结构对纤维素离子导体离子传输性能的提高机制。拓展研究了纤维素基纳米流体膜在能量转化方面的应用，通过调控电解液pH改善了纤维素基纳米流体膜的能量转化性能。将造纸废液（黑液）/海水间的化学能转化成电能；通过引入酸碱中和反应可进一步提高能量转换性能；利用带有相反电荷的纳米纤维素膜组装的反向电渗析装置实现了小型电子设备的供电，证明了纤维素基纳米流体系统在实际应用的可行性。