“小离子，大能量”：基于离子传输的能源体系
第一作者：肖凯
通讯作者：肖凯
通讯单位：德国马普胶体界面研究所（MPIKG）
核心内容：
1. 系统阐述了纳米流体中的离子传输特性，系统总结了离子传输在能源转化与存储领域的应用。
2. 详细归纳了离子被动传输用于盐差能源的收集。
3. 详细归纳了光驱动离子主动传输（离子泵）的种类，工作原理，及在太阳能转化方面的应用。
4. 简要讨论分析了离子传输用于能源转换的优缺点，并对“离子能源”在清洁能源领域的机遇和挑战进行了展望。
离子传输的能源体系
清洁能源是现代社会发展所面临的巨大挑战之一，如何获取足够的，可持续的，无污染的能源是制约工业化进程的重要因素。在众多人类已经开发的清洁能源中，太阳能是当之无愧的“取之不尽，用之不竭”的清洁能源，并且是其他清洁能源的来源，如蕴藏在海水/河水浓度差中的巨大的盐差能。现阶段，对于太阳能的收集主要利用半导体光伏器件，而对于盐差能的收集依旧很难达大规模工业化级别的应用。因此，我们需要新的手段实现安全，低成本的清洁能源收集。
大自然经过亿万年的进化为我们提供了独特的视角：可控的离子传输可用于清洁能源的收集。如绿色植物中的光驱动质子泵是其光合作用必不可少的环节，很多古生菌直接通过光驱动质子泵产生的化学势能合成ATP；再比如，电鳗通过可控的Na+, K+离子传输可以产生高达上百伏的电压。因此，如何在生命体外实现精确可控的离子传输并用于清洁能源收集受到了广泛关注（Nat. Rew. Chem. 2017, 1, 0091；Nat. Rev. Mater. 2019,4, 588–605）。
综述简介
在其前期可控离子传输及能源转换工作的基础上，马普所的肖凯博士，Markus Antonietti教授和中科院理化所的江雷院士合作，对纳米流体中离子的可控传输及能源转换进行了总结。该综述系统总结了纳米流体中的离子传输特性，分别阐述了离子被动传输用于盐差能源收集，离子主动传输用于太阳能收集，最后对该领域的发展进行了总结和展望（图1）。
图1. 基于离子传输的能源转换示意图：光驱动的离子主动传输（离子泵）和浓度差驱动的离子被动传输。
要点1：固态纳米通道/多孔膜内离子可控传输的基本原理
该综述首先简要归纳总结了固态纳米通道/多孔膜内离子可控传输的基本原理， 包括双电层理论，限域纳米通道内双电层重叠及电势分布，根据孔径及电荷不同的离子电流产生的几种模式，离子选择性和离子整流性及其对“离子能源”的影响（图2）。
图2. 固态纳米通道/多孔膜内离子可控传输的基本原理。A-C. 带电表面或者通道内的双电层理论；D-F. 离子在通道内的扩散类型；G. 离子整流性；H-I. 离子主动传输和被动传输示意图。
要点2：离子被动传输用于浓差能源转换。
接着，该综述重点叙述了离子被动传输用于浓差能源转换（图3）。浓差能源广泛存在于自然界内及我们的工业体系，如海水/河水浓度差，海水淡化厂内的残余高浓度盐溶液等。本部分基于不同纳米流体体系分成1D纳流体（包括nanoporetube/nanopore/nanochannel），2D纳流体（主要包括layered membrane），3D纳流体（主要包括organic/inorganic/polymerporous membrane）。对影响浓差能源密度和效率的因素进行了归纳总结的同时，提出了其面向工业化的一些准则和标准。
图3. 离子被动传输用于浓差能源转换。A. 基于1D纳流体的浓差能源转换收集体系；B.基于2D纳流体的浓差能源转换收集体系；C. 基于3D多孔膜纳流体的浓差能源转换收集体系；D. 影响浓差能源转换体系的关键因素。
要点3：离子被动传输用于浓差能源转换。
然后，该综述又重点叙述了离子主动传输（离子泵）用于太阳能收集（图4）。由于其在能源转换及可控释放领域的重大作用，仿生光驱动离子泵一直以来广受关注，却进展缓慢。本部分将已被成功制备的仿生光驱动离子泵归纳为三种模式：光诱导电荷分离模式，光诱导分子异构化模式，固态纳米孔模式（图4）；并根据起工作原理的不同，提出三种不同的仿生光驱动离子泵：赝离子泵，化学离子泵， 物理离子泵 （图5）。
图4. 离子主动传输（离子泵）用于太阳能转换。A. 基于光响应分子电荷分离的光驱动离子泵；B. 基于光响应分子结构异构化的光驱动离子泵；D 基于有机/无机半导体纳米结构的光驱动离子泵。
图5. 离子主动传输（离子泵）的类型。A. 赝离子泵；B. 化学离子泵；C. 物理离子泵.
要点4：整合的离子能源体系
最后，该综述详细讨论了“离子能源”的优缺点，并阐述了其潜在的应用模式：即将离子主动/被动传输相结合的综合能源体系（图6）。
图6. 整合的离子能源体系示意图。A. 基于离子传输的太阳能电池；B. 基于离子能源的仿生纳米机器人。
小结
该综述讨论了“离子能源”工作的原理，分类，及其在未来能源转化与存储领域的重要前景，并展望了“离子能源”的机遇和挑战。将离子主动/被动传输相结合的综合能源体系可大幅提升其能源密度和效率，进一步还可以实现能源的原位存储（如通过模仿ATP的产生），实现清洁高效的“离子能源”。
参考文献
Kai Xiao, Lei Jiang, andMarkus Antonietti. Ion transport in nanofluidic devices for energy harvesting. Joule.2019, DOI:10.1016/j.joule.2019.09.005.
https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(19)30465-9