摘要
随着世界经济持续快速的发展，能源短缺等问题日趋严重。因此，开发和利用可再生能源迫在眉睫。可再生能源的种类包括很多，其中，盐差能作为一种储量丰富的清洁能源，近年来得到了广泛的研究和发展。在基于反向电渗析的盐差能转换体系中，科研人员通过优化离子选择性膜的结构和性质来提升能量转化效率，并取得了系列进展。据已报道的研究结果可知，离子选择性膜依旧面临着成本高昂、机械性能差、输出功率低以及能量转化效率低等问题。为了追求更高的能量转换性能，各种外部刺激作为辅助手段已被引入盐差能收集体系中。本论文在这些背景下，选用了储量丰富且成本低廉的纳米纤维素为主要材料来构筑离子选择性膜，该膜表现出优异的力学性能、水稳定性及阳离子选择性。进一步，将其用于盐差能转换体系，并引入外部刺激来辅助增强盐差能转换性能，实现了高效的盐差转换。主要由以下几个部分组成: (1)选用了储量丰富且成本低廉的纳米纤维素为主要材料，采用真空辅助抽滤的方法制备得到带有不同官能基团（分别为羟基、羧基和磺酸基）的纳米纤维素膜，所制备得到的膜材料表现出优异的机械性能。研究了纳米纤维素膜表面电荷调控的离子传输行为。得益于纳米纤维素表面丰富的官能基团，制备得到的膜材料表现出优异的阳离子选择性，将纳米纤维素膜应用于盐差能转换体系并实现了高效的盐差能转换。其中，羧基化的纳米纤维素膜性能最佳，输出功率密度为2.91W/m2。此外，还探究了膜厚对于盐差能转换性能影响。当膜厚为31.30μm时，输出功率密度达到3.22W/m2。 (2)利用羧基化的纳米纤维素制备了阳离子选择性膜，探究了热能的引入对于其盐差能捕获的影响。通过对盐溶液加热来引入热能，研究结果表明温度升高能够驱动离子快速传输，有利于盐差能转换。在50倍盐度梯度下，低浓度溶液温度从～25℃升高到50℃时，输出功率密度从3.22W/m2提升至4.90W/m2。进一步地，两侧溶液温度同时升高到50℃时，输出功率密度从3.22W/m2提升至5.49W/m2。 (3)通过在纳米纤维素(CNF)膜上负载超薄低维碳材料(LDCM)层制备LDCM/CNF膜，构筑了光热增强盐差能转换体系。由于低维碳材料具有优异的光热转换性能，在光照下，可以很大效率的将光能转化为热能。将其引入盐差能转换体系中，在光照下，LDCM温度升高，建立跨膜温差，驱动离子定向迁移，从而提高盐差能转换性能。实验结果表明，在光照辅助下，LDCM/CNF膜的盐差能转换性能显著提高。在50倍浓度梯度下，光照后CNF/GO膜的输出功率密度从3.55W/m2提升至7.67W/m2。
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