黑龙江大学付宏刚、中科院理化所孔祥玉/辛伟闻《AFM》：能带结构匹配的纳流体实现光-电-离子介导的渗透能转换

石墨相氮化碳（g-C₃N₄）作为一种优异的半导体二维层状材料，不仅能够构建限域离子传输通道，还具备高效捕获光能的能力，从而实现对表面电荷分布状态的精准调控。基于g-C₃N₄纳米片，可以构筑功能化的二维纳流体，实现在限域通道中对离子的传输行为进行有效地调控，显著提升离子的选择性和渗透性。此外，氮化碳材料展现出的优异光电性能，使其能够将太阳能转化为可利用的能量，进一步优化离子的渗透选择性。因此，通过合理设计石墨相氮化碳材料的结构和表面化学性质，有望制备出具有高选择性、高通量的纳流体材料，为实现可持续能源——光能与盐差能的协同转换与高效利用开辟新的途径。

为此，黑龙江大学付宏刚教授与中国科学院理化技术研究所孔祥玉研究员、辛伟闻博士合作，利用功能化g-C₃N₄与二硫化钼纳米片，通过能带结构匹配的构筑策略，制备得到了具有II型异质结结构的纳流体器件，其非对称通道结构及表面电荷分布能够有效减小浓差极化效应，同时所构建的半导体异质结能够有效进行连续的电子-空穴分离，形成内建电场而减缓跨膜电势降，实现“光-电-离子”的连续转换。光照条件下，该器件在等渗溶液中实现了2.55 μA cm⁻²的光电流输出，有效捕获光能促进离子跨膜传输，其盐差转换输出功率密度高达890 W m⁻²。这种设计为光能和渗透能等洁净能源的综合利用提供了有效的解决方案。该研究以“Engineered Band Alignment of Semiconductive Nanofluidics for Photo-Electro-Ion Mediated Ultrahigh Osmotic Energy Harvesting”为题，发表在《Advanced Functional Materials》上，第一作者为本科生闻治瑄。

为了提升二维纳流体的离子选择性传输性能，作者利用羧基化的纤维素对MoS₂以及C₃N₄纳米片进行功能化交联，在提升纳流体力学性能的同时，纳米纤维表面的负电荷极大增强了离子选择性。通过扫描电镜、XRD、以及电位测试等表征证明了二维纳流体的非对称几何通道结构以及表面性质的显著差异。

图1. 非对称二维异质结纳流体的制备与表征。

利用UPS以及紫外光谱等测试，得到了异质结中两侧材料的能带结构。功能化的MoS₂以及C₃N₄层形成了II半导体异质结。通过红外热成像仪观察到纳流体两侧在光照下表面的温度变化。结果表明，在长时间照射下，膜表面温度仅升高了0.5度，这暗示了光热效应对体系的影响可以忽略。光照引发的性能变化主要由材料本身的光电效应产生。

图2. 能带结构的测定与光热效应分析。

作者测试了单一组分纳流体与能带结构匹配的II型异质结纳流体的光电流性能。数据表明，二维异质纳流体产生了大约20 nA的光诱导的离子电流，远大于单一组分纳流体的8和10 nA。这些结果表明，II型异质结纳流体能够有效进行连续的电子-空穴分离，形成内建电场而减缓跨膜电势降，实现“光-电-离子”的连续转换，促进光诱导的离子电流。离子电导结果进一步表明离子在异质纳流体中的传输受表面电荷作用。光照极大提升了离子在浓度梯度环境中的开路电压和短路电流。

图3. 光诱导离子电流的测定以及光照对离子跨膜传输的影响。

最后，作者研究了该异质纳流体的盐差发电性能。通过实验与理论相结合的方法，作者确认了非对称结构和表面性质有助于提升离子跨膜电流。该纳流体在50倍浓度梯度中，其输出功率密度达到了890 W m^-2。在不同溶液环境下，该纳流体均可实现盐差能到电能的高效转换。在长时间的循环测试中，该材料可实现稳定的能量输出，暗示了材料结构和化学性质的耐久性。

图4. 能带结构匹配的二维纳流体用于高效的盐差能转换。

总结：作者设计了能带结构匹配的二维半导体纳米片，成功构建了具备II型异质结结构的纳流体器件。该器件的非对称通道结构及表面电荷分布显著减小了浓差极化效应，提升了离子传输效率。同时，所构建的半导体异质结能够高效地进行连续的电子-空穴分离，形成稳定的内建电场，有效减缓了跨膜电势降，实现了“光-电-离子”的高效连续转换。在光照条件下，该器件在等渗溶液中展现出了2.55 μA cm⁻²的光电流输出，促进了离子跨膜传输。其盐差转换输出功率密度达到了的890 W m⁻²。该设计不仅为光能和渗透能等清洁能源的综合利用提供了高效、可行的解决方案，也为未来能源转换技术的发展开辟了新的道路。