绿色氢能是低碳能源体系的重要组成。电解水制氢清洁高效，但受可再生电力间歇性、地域依赖和输送损耗等限制。海水与河水盐度梯度蕴含的渗透能连续稳定、近海易获取，有望作为驱动电化学制氢的蓝色能源。
高效渗透能转换的关键在于离子选择性膜。传统二维纳米片膜易片层重堆积，限制离子通量；常规插层又会增加传输阻力，难以兼顾高选择性和快速传输。针对这一瓶颈，作者提出纳米通道工程策略，结合连续微流控纺丝和选择性聚合物刻蚀，构筑疏松纤维素/MXene纳米流体膜（LNM）。该膜以壳聚糖为牺牲间隔剂，经醋酸去除后形成取向纳米通道和互联孔隙，实现高效渗透能收集，并进一步驱动饱和盐水电解制备高纯氢气。
相关成果以题为“Nanochannel-Engineered Cellulose Nanofluidic Membrane Enables Self-Sustained High-Purity Hydrogen Production”的论文发表在《Advanced Functional Materials》。安徽农业大学袁开宇为论文共同第一作者，安徽农业大学叶冬冬教授和合肥工业大学王慧庆副教授为共同通讯作者。研究得到国家自然科学基金、安徽省自然科学基金优秀青年项目、安徽省科技创新重点项目等支持。
【纳米通道工程：打破通量与选择性的制约】
研究团队以再生纤维素、MXene和壳聚糖构建三元复合体系，并通过微流控连续纺丝诱导MXene纳米片在膜内有序取向排列。壳聚糖在成膜过程中充当牺牲间隔剂，干燥后形成致密纳米流体膜（DNM）；随后经醋酸动态刻蚀，壳聚糖被选择性去除，得到疏松纳米流体膜（LNM）。这一过程在保持膜整体结构稳定的同时，引入了互联孔隙和低阻纳米通道。与致密膜相比，LNM的离子通量提升14.8倍，输出功率密度提升7.0倍，为高效盐差能转换奠定了结构基础。
图1. 渗透能驱动电解构想、LNM制备流程及结构-性能提升示意
【选择性刻蚀：构筑疏松多孔离子传输网络】
该工作的关键在于牺牲组分的精准去除。壳聚糖分子链含有丰富伯胺基，在醋酸环境中易被质子化为-NH3+，链间静电排斥增强并逐渐溶胀、溶解；而纤维素缺少可质子化胺基，在醋酸中保持稳定。因此，醋酸处理可选择性刻蚀壳聚糖，同时保留纤维素/MXene骨架。
结构表征表明，刻蚀后膜截面由致密堆叠转变为疏松多孔结构。AFM、拉曼映射和XRD结果进一步证实，壳聚糖被有效去除，层状骨架结构得以保留。BET测试显示，LNM孔体积达到0.17 cm3 g-1，明显高于致密膜和纯MXene膜。与此同时，更多细菌纤维素羧基和MXene表面活性基团暴露，使膜表面zeta电位降至?37.9 mV，为快速、选择性阳离子传输提供了结构与电荷双重支撑。
图2. 选择性聚合物刻蚀、MXene集成及结构表征
【高通量与高选择性协同提升】
LNM表现出典型的表面电荷主导纳米限域传输行为。在10-6 M KCl稀溶液中，其离子电导率达到5.4 × 10-4 S cm-1，为致密膜的1.64倍。有限元模拟表明，壳聚糖去除后，纳米通道内结构阻塞显著降低，Na+可更高效迁移；同时，Cl?仍受到重叠双电层排斥，从而实现通量提升而选择性不牺牲。实验结果显示，刻蚀90 min后，LNM的NaCl离子通量达到0.93 mol m-2 min-1，较原始MXene膜提升19.8倍，同时阳离子迁移数仍保持在0.89。得益于高通量与高选择性的协同优化，LNM展现出优异渗透能输出能力。在模拟海水/河水的50倍盐度梯度下，LNM输出功率密度达到21 W m-2，显著高于致密膜（3.0 W m-2）和原始MXene膜（1.2 W m-2）；在平行片层方向传输模式下，功率密度进一步提升至28.9 W m-2。与已报道BN、MoS2、GO、生物质纳米片和MXene基膜相比，该膜在生物质资源利用和高功率密度输出方面具有明显优势。
图3. LNM离子传输行为、模拟结果与渗透能收集性能
【渗透能驱动高纯氢气自维持制备】
在渗透能到化学能转化方面，团队将LNM用于反向电渗析（RED）系统，并进一步驱动饱和NaCl溶液电解。通过16个RED单元串联，系统输出电压达到3.0 V，超过析氧和析氯反应所需电位，并在48 h内维持约0.231 mA的稳定电流，生产约4.3 mL氢气。气相色谱分析表明，校正空气干扰后，产物氢气纯度达到99.98%，验证了渗透能驱动高纯氢气制备的可行性。此外，LNM还兼具阳离子交换膜功能，可阻挡Cl?跨膜迁移并抑制OH?由阴极向阳极迁移，从而降低副反应、提升产物纯度。与Nafion N117、Fumasep FSK 30等商业阳离子交换膜相比，LNM在高盐环境中展现出良好离子选择性和更具竞争力的成本-性能优势。
图4. LNM用于渗透能驱动电解制氢及性能对比
【总结与展望】
该研究面向二维纳米片膜离子通量—离子选择性”以兼顾的核心瓶颈，提出了微流控取向组装与牺牲组分选择性刻蚀相结合的纳米通道工程策略，显著提升了渗透能收集性能，并实现了盐度梯度能向高纯氢气等可储存化学能的直接转化。这一工作不仅展示了生物质基纳米流体膜在蓝色能源开发和绿色制氢中的应用潜力，也为近海盐差资源、海水淡化副产浓盐水以及高附加值化学品联产提供了新的材料平台和系统设计思路。
论文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.76670
课题组主页：https://www.x-mol.com/groups/ydd
