河口发电有希望了 利用新型薄膜，相当于数千座核电站

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　　作者：袁柳 付嵘，来源：中国科学报

　　淡水和盐水存在着化学差异，在河口，这两种性质不同的液体汇聚在一起。如今，科学家设计了一种薄膜，能利用二者的差异发电。若能规模化生产，沿海地区的河口交汇处有望建起电站，为数百万人提供无碳清洁电能。

　　近日，美国罗格斯大学的研究团队宣布，他们在这一领域取得了突破。研究人员发明了一种可以分离盐水中正负电荷的薄膜。水流穿过其中，每平方米薄膜每年可产生约 30 兆瓦时的电量，足以为 3 栋房屋供电。

　　“这令人印象深刻。多年来，我们所在的研究领域一直期待研究成功的一天。”韩国浦项科技大学机械工程师朴光宇这样评价。

　　据《科学》报道，水这种“蓝色能源”能为人类所用是有事实基础的。每年，全球约有 3.7 万立方千米的淡水从河口流入海洋。河水与海水交汇可提供巨大的发电潜力，经估算，产生的电量可达 2.6 兆瓦时，大致相当于 2000 个核电站的发电量。

　　盐是一类由金属离子或铵根离子与酸根离子结合的化合物，其中不同的化学物质带有正电荷或负电荷。在固体中，正电荷与负电荷相互吸引，从而束缚住离子（比如氯化钠由带正电的钠离子和带负电的氯离子结合而成）。而在水里，这些离子可以“溜走”或自由活动。

　　这是利用淡水和盐水发电的原理。此前，也有利用类似原理获取能量的发电厂，但采用的方法成本高昂，难以顺利推广。

　　而新研发的薄膜是半透膜，可通过抽吸将钠或钾的正离子送到膜的另一侧。研究人员据此将水流分到两个水池中：一种带正电荷，一种带负电荷。将电极浸入池中并用导线连接，电子将从负电荷一侧流向正电荷，从而实现发电。

　　法国的研究人员最初在 2013 年制造出这种薄膜。这种氮化硅陶瓷膜常用于电子工业、工具切割等。氮化硼纳米管这种材料带有很多的负电荷，理想状态下，薄膜放在淡水和盐水间时，正离子会从盐水向淡水方向压缩，但带负电荷的离子被膜挡住，导致两侧电荷不平衡，由此产生电力。

　　但之前的难点在于，这种薄膜中的氮化硼纳米管无法按研究者的意志垂直于膜排列。在近日举行的美国材料学会年会上，罗格斯大学机械工程学家 Jerry Wei-Jen Shan 实验室的成员报告称，他们解决了这个问题。

　　研究人员将购买的市售纳米管加入到先驱体聚合物中，形成 6.5 微米厚的薄膜。再给带负电的管子涂上一层带正电的涂料，涂料分子体积大，无法穿过氮化硼纳米管，因此薄膜的通道仍处于通畅状态。

　　之后，研究者将带负电的磁性氧化铁颗粒添加到混合物中，颗粒会固定在带正电的涂层上。这时，研究者再施加磁场，就可以操纵纳米管，让它们逐一对齐。接着，再用紫外线将聚合物稳定在应有位置上。薄膜的顶部和底部表面上均有部分材料被等离子束蚀刻，从而保证纳米管通畅。

　　最终，这种加工后的薄膜每立方厘米约有 1000 万个氮化硼纳米管。研究者将其放在小规模的容器中，单位面积发电量是原有薄膜的 4 倍。

　　研究团队表示，这种效率提升很可能跟氮化硼纳米管的宽窄有关，更窄的纳米管可更好地排除带负电荷的氯离子。但这种工艺还需要改进，因为经过等离子束处理的薄膜，仅有2% 的氮化硼纳米管是两侧都打开的。

　　现在，研究者还在尝试增加其中的开孔数量，为“蓝色能源”的切实应用提供可能。