人类社会的可持续发展面临着全球能源危机和环境恶化的挑战,可再生清洁能源的开发与使用已成为世界各国的共同选择。存在于江海交界处,以盐度梯度形式存在的盐差能是一种重要的可再生清洁能源。反向电渗析法（Reverse electrodialysis,RED）是一种常见的盐差能收集方法,其应用在过去半个世纪中一直受限于选择性渗透膜的性能。新兴的二维材料为高性能膜的设计提供了新的思路,以氧化石墨烯（Graphene oxide,GO）为例,由于丰富的表面电荷、极薄的片层厚度,因此它同时具有快速输运的性能和良好的离子选择性,成为新一代高通量膜的重要候选材料。虽然影响氧化石墨烯膜输运性质的因素,包括片层间距、片层表面的物理化学性质等,得到了大量的研究关注,但是片层的排布方向,依旧是一个被长期忽视的影响因素。本论文通过改良的Hummers法制备氧化石墨烯片层（GO）,并采用氨基化的化学修饰方法调控GO表面的电荷状态。用真空抽滤法制备出GO片层方向水平排布的氧化石墨烯膜（Horizontally stacked graphene oxide membrane,H-GOM）;在此基础上,经过封装、切割、减薄等步骤制备片层方向垂直排布的氧化石墨烯膜（Vertically-oriented graphene oxide membrane,V-GOM）。通过这两个体系,本论文研究了二维材料中片层排布方向对膜输运性能的影响。本论文研究了 H-GOM和V-GOM在离子输运和盐差能转化方面的差异。实验结果表明,相同条件下,阳离子在V-GOM中的传输速率比H-GOM高出3个数量级;同时,两种结构具有相似的离子选择性,说明片层排布方向主要对离子渗透性起了至关重要的作用。在模拟海水-河水的盐差发电实验中,V-GOM可获得高达10.6 W/m2的输出功率密度,超过5 W/m2的商业化标准。另外,通过调控膜厚、pH值、温度以及电解质等条件,可以进一步提升V-GOM盐差发电的效果。理论机理研究方面,基于连续性模型,通过耦合Poisson和Nernst-Planck方程,探究了离子在H-GOM和V-GOM中的输运差异。模拟结果和数学分析揭示了离子在V-GOM中具有快速输运的三个因素:极短的离子路径、膜入口处低的进入势垒和更大的入口面积。这些发现为高性能纳米多孔膜的设计提供了启发。