研究背景：

当前能源格局中，低品位热源（≤100℃）、酸性废液和高盐度工业废水等蕴含丰富的可再生能源，若能将其高效转换为电能，将有望同时缓解能源短缺与环境污染问题。然而，传统膜材料在极端热、化学及电化学等多物理场耦合环境下易失稳，限制了能量回收效率，现有能量收集方法和材料也难以适配复杂的实际工况。因此，开发兼具高稳定性、高离子选择性与智能响应能力的膜材料，是实现废液渗透能规模化利用的关键策略。

文章概述：

吉林大学朱轩伯教授团队通过多元耦合策略，设计并制备了一种基于β?酮烯胺连接的共价有机框架膜（TB?COF），创新性地将刺激响应功能基团与稳健的晶体结构相结合，成功攻克了膜材料在工业废水极端环境下的不稳定、能量回收效率低的难题。该研究实现的258.81 Wm?²超高功率输出，较商业膜提升52倍，不仅刷新了渗透能转换的性能纪录，更为低品位热、酸性废液等废弃能源的资源化利用开辟了切实可行的路径。相关研究成果发表于国际顶级期刊Advanced Science。

图文导读：

图1. 智能响应膜的设计与高效渗透能收集机制

TB-COF膜通过界面聚合法制备，其纳米通道内修饰有2,2′-联吡啶-5,5′-二胺智能响应基团。在酸性环境中，基团发生质子化，提升通道内电荷密度，促进阴离子传输；同时，低品位热能可加速离子迁移，实现热-化协同增强的离子输运。

图2.TB?COF膜的基础结构表征

XRD与FT-IR结果证实膜具有高结晶性与稳定的β-酮烯胺连接结构。氮气吸附显示其具有均匀的纳米通道（孔径约2.0 nm），HRTEM图像进一步展示了规则的孔道排列，为离子高效传输提供了理想路径。

图3.膜的性能优化与最佳工作状态

通过调控膜厚度与通道结构，系统优化了离子选择性与渗透性。在50倍盐度梯度下，最优厚度膜（M2）实现了28.85 W·m^-2的功率输出。分子动力学模拟表明，其有序通道结构能有效降低离子跨膜迁移能垒，提升离子的选择性与渗透性。

图4.多响应环境下的离子传输与能量转换

膜在酸性（pH=4）与高温（85°C）条件下均保持优异的结构稳定性与离子传输性能。在模拟河水/海水盐度梯度系统中，分别利用酸性与热效应，功率输出显著提升至53.08 Wm^-2和190.52 W·m^-2，体现了其多物理场的高效性。

图5.高性能渗透能收集与稳定性验证

在模拟脱硫废液的复合恶劣环境中，TB?COF膜实现了258.81 W·m^-2的超高功率输出，并在连续运行15天后仍保持稳定电流输出，凸显了其在真实工业场景中的应用潜力。

总结：

本研究通过多元耦合设计策略，成功制备了具有可调电荷密度和优异环境适应性的TB-COF膜，该膜以β- ketoenamine连接为稳定骨架，Bpy功能团为电荷调控位点，实现了对工业废水中低品位热、酸性和高盐度等能量的高效回收。在模拟脱硫废水多物理场耦合条件下达成的258.81 Wm^-2超高功率输出，显著超越现有渗透能转换材料，且具备长期运行稳定性和实际应用可行性。该研究不仅突破了传统膜材料在极端环境下的性能局限，为工业废弃能源的资源化利用提供了全新技术路径，也拓展了COF材料在能量转换领域的应用边界，为自适应晶体多孔材料的设计提供了重要借鉴。

该研究得到国家自然科学基金(22522302, 22373042, and 22341301)等资助。

论文信息：

Ionic Highways under Multivariate-Coupled Strategies: Ultrahigh Power Generation from Industrial Waste Liquors Using Robust COF Membranes

Hongyan Qi, Weibo Sun, Jundong Zhong, Zhen Xing, Tingting Xu, Shuang Zhao, Haoyang Tan, Ziyi Hu, Hujun Qian, Yuchen Wu, Haibo Zhang, Jianxin Mu, Xuanbo Zhu, Lei Jiang

Advanced Science

DOI:10.1002/advs.202523044

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202523044

期刊介绍：

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