北工大安全福&张倩倩AM：黏土基纳流体膜层间连续氢键网络构建实现超快阳离子传导及优异抗溶胀性能

纳米人

2026-06-22

背景介绍

近年来，以天然黏土为基体构筑的离子选择性二维纳流体膜，可利用纳米限域通道与表面电荷效应形成孔内双电层高度填充，实现对离子传输的精准调控，在渗透能捕获、离子筛分等领域具备广阔应用前景。目前，该类膜材料规模化应用仍受制于两大难题：一是纳米片堆叠形成的曲折通道会造成离子传输阻力大、传导效率低，严重制约离子通量；二是层间通道在水环境下发生明显溶胀，严重削弱膜的离子选择性与长周期服役稳定性。因此，亟需开发兼具快速离子传导能力与稳定层间结构的黏土基纳流体膜。

工作简介

近日，北京工业大学材料学院安全福教授和张倩倩教授提出了黏土基纳流体膜连续层间氢键网络构建策略，实现了优异阳离子选择性传导和抗溶胀特性，可应用于盐差能持续高效收集利用。该结构创新赋予黏土基纳流体膜双重功能：（1）建立低能垒通道以促进阳离子传输；（2）作为动态且坚固的交联基质，锚定粘土纳米片以抑制层间膨胀。实验和理论分析证实，纳米片与聚合物链之间形成的键合网络，使该膜具有宽通道尺寸（~3.3 nm）、低溶胀率（6.7%）和优异的机械强度（236 MPa）。其层间动态氢键网络与纳米片带电表面协同作用，通过次序补位机制形成具有低能垒的离子传输通道，实现了选择性且快速的阳离子传导。在1 M电解质中，该膜的面内传输室温离子电导率高达22 S m^-1。在海水/河水条件下，实现了 22.7 W m^-2 的最大功率输出，并保持了超过 30 天的稳定运行。基于其集成的盐差电池可同时为多台商用小型电子设备供电，证明了其在规模化盐差能利用方面的应用潜力。本研究展示了连续氢键网络在构建高传导、抗溶胀纳米流体体系中的关键作用，为高性能离子膜构筑提供了新策略。相关成果以 “Constructing continuous interlayer hydrogen-bond network in nanofluidic clay membranes for fast cation conduction and anti-swelling osmotic energy generators” 为题发表于国际著名期刊《Advanced Materials》，北京工业大学材料学院博士研究生唐家东为本文第一作者。

图文导读

图1具有连续层间氢键网络的黏土基纳流体膜（CHM）构筑及抗溶胀特性性能验证

图2 实验结合理论分析证实CHM具有优异的阳离子选择传导性能

图3 CHM的超快阳离子传导和结构稳定特性可实现高效盐差能量转换及长周期稳定输出

图4 基于CHM有限元模型进一步揭示离子超快传输机理，并构建盐差电池组件实现了规模化能量收集和利用

结论与展望

本工作开发了一种具有连续层间氢键网络的黏土基纳流体膜，兼具高离子传导性和抗溶胀特性，实现了高效的盐差能量持续稳定输出，在离子筛分和海水淡化等领域也展现出重要的应用潜力。

【相关文献链接】

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