Nature Communications 通过电解质渗透高效收集电能

a丝纳米纤维(SNF)/阳极氧化铝(AAO)膜的制作工艺示意图。(I)对蚕茧进行脱胶以获得干丝纤维。(II)脱胶的丝纤维与1,1,1,3,3,3-六氟-2-丙醇(HFIP)混合，形成浆液。(III) SNF分散体通过真空过滤与AAO组装。b扫描电镜图像的纤维由大量的连接丝纤维包裹着巨大的丝胶在天然蚕茧。c脱胶丝纤维的SEM图像。d SNF的三维TEM图像，直径约20 nm，轮廓长度在200-500 nm范围内。e混合膜的横截面SEM图像。最上层是SNF膜，下面是AAO膜。f混合膜的示意图。g SNF膜表面的SEM图像。插图显示了SNF溶液的廷德尔光散射。h SNF膜和脱胶丝纤维的红外光谱。i为SNF膜的孔径分布，平均孔径集中在~ 20nm。标度尺规模:20µm (b), 2.5µm (c), 0.2µm (d), 10µm (e)和0.2µm (g)。

a在0.1 M KCl (pH 3.03, 6.80，和11.01)中记录了混合膜的I-T曲线，外部偏置在+ 1v和- 1v之间交替，以考察离子通过混合膜的稳定性。每个循环(+1到- 1v)持续5分钟。b杂化膜的离子电导是电解质浓度的函数。当电解液浓度小于1 M时，跨膜离子电导(红色圆圈)明显偏离本体值(黑色虚线)，表明离子的表面电荷支配转运行为。插图显示了SNF膜表面存在的官能团。c I-V曲线。d 通过COMSOL模拟得到的基于三种膜的三维模型计算的离子浓度分布。施加的偏置设置为+ 1v。

a能量收集装置在浓 度梯度下的示意图。b两种盐度梯度收获配置。c用AAO侧高浓度溶液测量不同浓度梯度下的VOC和ISC。错误条代表了AAO/SNF结构的原理图。d AAO膜和SNF膜分别被认为是离子存储层和离子选择层。e考察了不同pH条件下AAO、SNF和杂化膜的能量转换性能。f输出功率密度和电流密度作为负载电阻的函数。的输出功率密度达到峰值2.86 W m−2 ~ 23 kΩ的负载电阻。g不同盐度梯度下的g - I-V曲线。高盐度(NaCl)溶液置于AAO一侧，固定在0.5 M处。h测量的电流密度均随外电阻值的增大而逐渐减小。i当盐度梯度为5倍、50倍和500倍时，相应的输出功率分别达到1.12、2.43和2.67 W m−2的最大值。

a在不同pH条件下，功率密度随AAO系列通道尺寸(20 ~ 200nm)的变化而变化。b SNF膜的厚度(10μm)保持不变。在0.01 M NaCl的pH值为3.00 ~ 11.00时SNF的电位为。c pH 11.00时最佳通道尺寸(80-100 nm)的混合膜的功率密度为2.86 W m−2。d图示了AAO尺寸对杂化膜能量转换的影响。AAO通道模型(1):20-30 nm， (2): 40-70 nm， (3): 80-100 nm， (4): 110-150 nm， (5): 160-200 nm。

a混合膜的功率密度和SNF膜厚度曲线在pH值为3.00和11.00时呈现先增大后减小的趋势。b最佳厚度的转折点出现在pH ~4.53。使用三个区域来区分不同的情况，其中P15 > P10定义为第一部分;P15≈P10，定义为第二部分;和P15 < P10，定义为第III部分(P表示功率密度;角标 (15或10)表示SNF膜的厚度。c示意图。不同pH条件下AAO通道内表面电荷分布示意图(i) - (viii)。作用在离子上的力有两种，一种是路径阻力(定义为F1)另一种是驱动力(定义为F2)。第一部分表明F1比F2更健壮;相反，在第三部分，F1比F2弱。被称为第二部分的浅蓝色区域表示这两个力是相等的。背景色与图5b相同，表示功率密度的大小。用箭头代替相应条件下的合力。箭头的大小表示合力的大小。同样大小的箭头，颜色越深，合力越大。

文章中利用了 COMSOL模拟 来说明离子交换膜对离子的选择作用和通道的不同几何形状对离子分布的影响。可以看到 在物质传递与扩散，电化学等方向COMSOL模拟的运用越来越重要 。