Zwitterionic Gradient Double-Network Hydrogel Membranes with Superior Biofouling Resistance for Sustainable Osmotic Energy Harvesting

Kang-Ting Huang, Wen-Hsin Hung, Yu-Chun Su, Fu-Cheng Tang, Lam Dieu Linh, Chun-Jen Huang, Li-Hsien Yeh

Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 19, 2211316

國立臺灣科技大學 化學工程系 葉禮賢教授

國立中央大學 化學工程與材料工程學系 黃俊仁教授

滲透能源(又稱鹽度梯度能源)為一種可再生潔淨能源，廣泛存在於不同鹽濃差環境中，如：海水與河水交界，據估計全球滲透能源蘊藏量約30兆瓦。離子選擇膜為擷取滲透能源之關鍵材料，此類薄膜可將儲存於不同離子濃度溶液中之混合自由能轉換成電能使用。然而現有離子選擇膜存在低輸出功率密度、高內部電阻、容易遭受生物汙染等問題。本研究開發雙離子梯度雙層網絡水凝膠薄膜(ZGDHM)作為離子選擇膜，水凝膠中的雙層高分子網絡奈米結構能有效增強離子選擇膜的機械性質。此外，水凝膠膜中的3維梯度孔洞結構可以誘導獨特的離子二極體效應與空間電荷傳輸屬性，可促進離子朝向特定方向移動並降低離子選擇膜內部電阻，進而增加輸出功率密度。在混合人造海水與河水鹽濃梯度條件下，ZGDHM可產生5.44 W/m²的輸出功率密度，高於商業應用標準(5 W/m²)。值得注意的是，在混合模擬鹽湖水與河水之鹽濃梯度條件下，ZGDHM更可產生49.6 W/m²的歷史新高功率密度，其中內部電阻僅有5.2 kΩ，低於現有報導過的所有先進離子交換膜。除此之外，ZGDHM因雙離子結構具有超高抗污性質，經過細菌溶液浸泡後的輸出功率密度無明顯降低，為離子交換膜實際應用的一大突破。最後，ZGDHM擁有高度生物相容性，對於開發可穿戴能源轉換應用具有巨大潛力。本研究成功開發高效能永續的水凝膠離子選擇膜，對於滲透能源轉換的開發應用邁向一大步。

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