【摘 要】
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基于膜的反电渗析法（RED）被认为是具有较高潜力的获取渗透能量的技术。然而,传统的离子交换膜存在内阻大、效率低的问题,导致功率密度不理想。开发一种同时具有高功率密度、优异的机械强度和便于大规模生产的先进膜用于渗透能量转换仍然具有挑战性。本论文采用理论分析和实验手段相结合的方法,设计并制备了二维MXene膜和三维Kevlar纳米纤维膜,分别在渗透能转换中的应用展开了深入的研究,具体工作如下:（1）设
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基于膜的反电渗析法（RED）被认为是具有较高潜力的获取渗透能量的技术。然而,传统的离子交换膜存在内阻大、效率低的问题,导致功率密度不理想。开发一种同时具有高功率密度、优异的机械强度和便于大规模生产的先进膜用于渗透能量转换仍然具有挑战性。本论文采用理论分析和实验手段相结合的方法,设计并制备了二维MXene膜和三维Kevlar纳米纤维膜,分别在渗透能转换中的应用展开了深入的研究,具体工作如下:（1）设计并制备了具有二维纳流控通道的带相反电荷的Ti3C2Tx MXene膜（MXMs）用于高性能渗透发电。所制备的带负电荷或带正电荷的二维MXene纳米通道表现出典型的表面电荷控制的离子传输,并表现出良好的阳离子或阴离子选择性。通过将人工海水（0.5 M氯化钠）和河水（0.01 M氯化钠）混合,基于该MXMs的RED发电装置能够获得的最大输出功率密度约为4.6 W m-2,高于大多数最先进的膜式渗透发电机,非常接近商业化基准(5 W m-2)。通过串联10个MXMs组合对,输出电压可达1.66 V,可直接为电子器件供电。（2）通过简单的刮涂法制备出了具有多孔结构的三维（3D）纳流控通道的Kevlar纳米纤维（KNF）膜。该带负电荷的交织的纳米通道表现出典型的表面电荷控制的纳流控离子传输行为,并表现出良好的阳离子选择性。当用于渗透能量转换时,基于KNF膜的渗透能发电机的功率密度达到4.8 W m-2（海水/河水）,进一步将温度升高到328 K,输出功率密度可提高到13.8 W m-2,高于大多数最先进的膜。更重要的是,4μm厚度的KNF膜具有超高的拉伸强度（565 MPa）和杨氏模量（25 GPa）。该膜还具有120天以上的超长稳定性,在实际渗透能量转换中显示出巨大的潜力。
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