为了满足对低碳能源日益增长的需求，渗透能作为一种有前景的“蓝色能源”备受关注。以离子选择性膜为核心的反向电渗析技术，通过将吉布斯自由能直接转化为电能来实现能量捕获。传统的离子交换膜受限于选择性不足、传输阻力高，以及严重的浓差极化现象，导致输出功率和能量转换效率较差。因此，通过精细设计膜结构与精确调控表界面特性，构建兼具高选择性、高渗透性及离子整流特性（单向传输）的异质膜，已成为当前的研究焦点。

  非对称离子选择性膜通过构建具有电荷、几何形状及化学组成的非对称异质通道，可诱导类二极管的离子整流行为，从而促进离子单向传输，抑制电流回流并缓解浓差极化。尽管如此，现有非对称膜仍面临界面相容性差、传导阻力大及制备工艺复杂等挑战。前期，武培怡/吴慧青团队利用原位生长法制备了具有稳定异质结构的磺化聚苯醚/聚苯胺复合膜，实现了高效的渗透能-光能耦合发电 (CCS Chem. 2025, 7, 1383)，为多尺度异质结构的设计提供了重要思路。

  现有非对称膜多为双极结构，正负电荷位于膜层两侧，这种异质电荷在抑制浓差极化的同时会导致离子选择性降低及传输阻力增加。近期，该团队进一步提出了一种基于界面聚合法制备的双聚酰胺薄膜复合(dPA TFC)膜。

  2026年4月27日，研究成果以“Dual Polyamide Thin-Film Composite Membrane with Multiscale Hetero-channels and Mosaic Charge Architecture for Boosting Ion Transport and Osmotic Energy Conversion”为题，发表在Angewandte Chemie International Edition上，东华大学化学与化工学院硕士生曹子丰为论文的第一作者，武培怡教授和吴慧青副教授为通讯作者。

  该膜具有多尺度异质通道与马赛克电荷结构，展现出卓越的渗透能转化性能。其核心优势包括：

  1）优异的界面相容性与稳定性：通过二次界面聚合原位形成的双层聚酰胺结构实现了物理互锁，显著降低了传输阻力；

  2）高选择性内层：利用表面活性剂辅助调控界面聚合，构建了含有丰富负电荷亚纳米通道的超薄致密内层，确保了高选择性与高渗透性；

  3）功能化马赛克外层：以质子化氨基卟啉为单体，构筑了正负电荷镶嵌的马赛克结构，在维持选择性的同时增强了离子整流效应（整流比~6.56）。

  此外，卟啉的引入赋予了膜光响应与抗菌特性。基于dPA TFC复合膜的能量收集系统，在模拟海水/河水盐度梯度下功率密度高达11.3 W m^-2，在光照下可进一步升至13.2 W m^-2。

图1. dPA TFC膜的制备与功能实现示意图

  dPA TFC 膜是由 MPD-TMC (iPA) 内层与 TAPP-TMC (oPA) 外层构成的稳定异质系统，两层在孔径与电荷分布上呈现显著差异。iPA 层具有粗糙的结节状结构（厚度约 80 nm），而 oPA 层则表现为平整光滑的形貌（厚度约 36 nm）。在二次界面聚合过程中，非平面大环单体 TAPP 与 iPA 层的反应诱导了界面结构的重排并扩大了自由体积，在维持高选择性的同时有效提升了离子渗透性。此外，整体显负电性的 oPA 层由于质子化氨基卟啉(TAPP)单元的引入，形成了独特的马赛克状正负电荷域。

图2. dPA TFC膜的制备与表征

  该膜在宽浓度范围内具有强烈的离子电流整流效应。在 50 倍 NaCl 浓度梯度下，dPA TFC 膜实现了Na⁺的定向优先传输，膜内阻低至 5.0 kΩ，并产生 86 mV 的高渗透电位，阳离子选择性好（t₊ = 0.962），能量转换效率高达42.5%。

图3. dPA TFC膜的离子传输特性

  dPA TFC 膜的多尺度异质结构设计协同增强了离子的渗透性与选择性。该结构不仅促进了单向离子传输，还通过有效抑制浓差极化，显著提升渗透能转化性能，优于多种已报道的复合膜体系。在模拟海水/河水（0.5 M/0.01 M NaCl）的 50 倍浓度梯度下，其输出功率密度达到 11.3 W m^-2。此外，该膜在多种电解质溶液及真实水资源（如天然海水、工业印染废水等）中均展现出远超商业基准的性能优势。结合其卓越的长效稳定性，该膜在工业级渗透能回收领域展现出广阔的应用前景。

图4. 基于dPA TFC膜的发电机的渗透能输出性能

  与传统双极膜相比，dPA TFC 膜通过多重异质结构的协同效应，赋予了系统优异的选择性、渗透性及整流特性，并显著抑制了浓差极化。其一，超薄超选择性层的精准构筑：利用表面活性剂辅助的原位界面聚合法，制备出具有高度均匀负电荷亚纳米孔的内层（iPA）。表面活性剂胶束通过与胺单体的多重相互作用，在能量上优化了单体分子的跨界面传输，促进其在界面的均匀扩散与积累。这种介导作用使 iPA 层在最小化厚度的同时，显著增强了结构均匀性与微孔率，降低了离子传输阻力，从而实现了渗透电压与电流的同步增长。其二，多尺度异质结构的协同强化：由多孔 PAN 基底（离子存储层）、致密 iPA 层（选择性层）及疏松负电 oPA 层（功能层）组成的多尺度结构，有效降低了整体传输阻力。更重要的是，oPA 层内镶嵌的正电荷卟啉环构筑了独特的正负马赛克异质电荷分布。这种结构能有效抑制低浓度侧的离子积累与回流，在不牺牲选择性的前提下增强了离子整流效应并缓解了浓差极化。这种单向离子传输特性的提升，促进了高效的渗透能转换。

图5. 复合膜高效渗透能转换机理分析

  dPA TFC 膜展现出显著的光响应特性。在光照条件下，渗透电位与电流同步增长，使输出功率密度提升至 13.2 W m^-2。卟啉分子的引入赋予了复合膜优异的光吸收能力以及稳定、可逆的光响应行为。其光增强离子传输机制归因于 oPA 层产生的光热效应与光生电场的协同作用：首先，光热效应诱导的热梯度加速了阳离子沿盐度梯度的定向迁移；其次，在可见光激发下，光生电子-空穴对的产生与分离有效提高了纳米通道内的表面电荷密度，从而增强了静电相互作用并降低了离子传输能垒。此外，卟啉在光照下可原位产生高活性的单线态氧（¹O₂），赋予该膜优异的广谱抗菌性能，为其在复杂生物污染水体中的长期使用提供了保障。

图6. dPA TFC膜的光响应特性

  综上所述，本工作通过对多尺度异质结构的精细设计与构筑，突破了传统非对称膜在离子传输方面的局限性，也为高性能离子选择膜的开发及渗透能的高效捕获与转化提供了新思路。

  该研究工作得到了国家自然科学基金和国家染整工程技术研究中心的资助与支持。东华大学化学与化工学院本科生孙浩源、德国于利希中子散射中心(JCNS)吴宝虎博士也参与了该研究。

  文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.4186742