离子径迹法制备纳米孔道的温差电效应研究

Synthetic nanopores have attracted great attention due to their outstanding performances and promising potential applications on biomimetic ion channels, single molecule detection and new generation of DNA sequencing technology. Fabrication of polymer nanopores using ion track technique offers distinct advantages considering their precisely determined pore structure and excellent surface properties such as good biocompatibility, high surface charge and rich surface chemical groups. Ion-track nanopores have become a focus of nanopore research and application. However, research on energy conversion of nanopores is quite limited. Up to now, there has been research on power generation by pressure-driven and concentration gradient. The understanding on the character of ion selective nanopore shows that many new phenomena in this respect are worth exploring..This project intends to fabricate nanopores in polymer membranes by ion track etching technique, and focuses on the thermoelectric effect of ion selective nanopores, which is electrical energy generation caused by temperature gradient along the nanopore. The goal is to investigate the energy conversion properties of nanopore. Models will be proposed to explain the new mechanism for energy conversion and transport phenomena in nanofluidics.

人工纳米孔道的研究备受关注，在仿生离子通道、单分子检测和新一代DNA测序技术等方面有重要的应用。利用离子径迹法制备高分子纳米孔具有可控性强、相容性好、内表面电荷密度高、易于修饰等优点，已经成为国际上纳米孔研究的热点。但是，目前对纳米孔道中的能量转化的研究还十分匮乏，仅有压电效应和浓差发电方面的工作。根据已有的对纳米孔道输运特性的了解，可以预计纳米孔道在能量转化方面还有巨大的潜力，有许多新现象有待探索。. 本项目利用离子径迹刻蚀技术在高分子膜上制备纳米孔道，开展以离子选择性纳米孔道温差电效应（即由纳米孔两端溶液的温度差导致电流的现象）为主的能量转化研究。在实验和理论上，研究影响能量转化和输出的主要因素，并建立定量的物理模型，揭示纳米孔道内新的能量转化现象，探索纳流体系中微观输运的新机理。

在全球能源短缺的背景下，传统的化石能源带来严重的污染问题，清洁能源技术成为人类社会可持续发展的关键。河水与海水之间的盐度能，是一种潜在的清洁能源能够满足日益增长的能源需求。基于纳米孔道的能量转化体系凭借其优异的输运特性，包括离子选择性强、离子流密度高等，在浓差发电效应中具有超越商用的离子交换膜的表现，因此受到大量的研究关注。基于已有的研究成果和对纳米孔道能量转化机制的认识，我们发现只要纳米孔道的双电荷层内存在使得阴阳离子发生电荷分离作用的机制，纳米孔就能够产生净电流，绝不仅仅局限于纳米孔两端存在离子浓度梯度和压强差的情况。因此，我们预计纳米孔体系在更广的范围内具有能量转化的潜力，例如存在温度差的环境中将内能转化为电能的能力和在不同化学活度下将化学能转化为电能的过程。. 本项目按照研究计划，开展了两部分工作。. 第一、通过在核孔膜-石墨烯复合材料两端构建不同温度条件，实验数据表明，当孔道两端存在温度梯度的时候，孔道中能够产生定向电流。即通过离子选择性的纳米孔道将温差转化为电能。理论模拟的结果说明了电能转化的过程与机制。. 第二、我们发展了用于多孔体系的数值模拟的方法，并对多孔体系中的离子输运现象进行了研究。我们的模拟方法，能够大大简化计算量，同时模拟结果能够与实验数据很好的吻合。我们利用该模拟方法对多孔体系中的离子输运与能量转化过程进行了细致的研究，发现了能量转化过程中反常的膜厚依赖效应，超薄膜离子选择性的产生机理和多孔浓差发电对孔密度的依赖性。相关结果部分已经发表，部分正在投稿过程中。. 在本项目科研经费的支持下，共培养硕士研究生4名，博士研究生1名。本项目的研究工作共产生5篇文章，一篇高影响因子的文章已经接收（Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 1604302，IF=12.12），目前有两篇SCI文章正在审稿后修订阶段，预计在未来三个月能够接收，还有两篇文章正在投稿，预计未来半年内能够有成果。