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纳米纤维素基离子交换膜在盐差能发电中的研究进展，涵盖制备改性、复合结构、离子传输性能及RED系统效率优化，探讨其应用前景与挑战。
余新蕾|张黎明|车洪林|刘梦宇|陈敬焕|田超|陈敬伟|黄明珠|吴静怡|王焕雷|徐峰|田伟倩
中国海洋大学材料科学与工程学院，青岛，266100，中国
摘要
通过反渗透（RED）技术，可以将可再生的盐度梯度渗透能转换为电能，在这一过程中，离子交换膜（IEMs）在提高渗透能收集的输出功率方面发挥着重要作用。为了提高RED系统的效率，人们研究了多种先进的膜材料以制造高性能的IEMs。近年来，具有丰富来源、活性官能团和高长径比的纳米纤维素已成为开发用于RED过程的各种可持续、高性能纳米纤维素基IEMs的理想平台。本综述全面总结了纳米纤维素基IEMs在RED过程中的最新研究进展，包括纳米纤维素的制备和改性技术、纳米纤维素基混合/复合IEMs的制造工艺，以及它们的性能指标，如离子选择性、输出功率密度和耐用性。我们还讨论了RED的工作原理，包括RED电池、RED堆栈以及RED过程的性能指标。最后，我们概述了用于盐度梯度渗透能转换的纳米纤维素基IEMs在潜在实际应用中的前景和挑战。
引言
随着人口增长和经济发展，能源需求也在增加。然而，不可再生的化石能源资源有限，其大规模燃烧还会导致环境污染问题。因此，开发可再生和清洁能源对于实现人类社会的可持续发展至关重要。海洋能储存在占地球表面75%的海洋中，包括潮汐能、波浪能、海洋热能和盐度梯度渗透能。盐度梯度渗透能存在于海水和淡水之间的界面处（Pattle, 1954），是一种有前景的清洁和可持续能源，几乎零排放、变化小且储量丰富（Herrero-Gonzalez等人，2024；Warsinger等人，2018；Zoungrana & ?akmakci, 2020）。值得注意的是，从海水和淡水之间的盐度梯度界面可以产生0.8 kWh m?3的功率密度（Tong等人，2021；Tufa等人，2018）。反渗透（RED）系统是一种能量损失和污染都很低的提取盐度梯度渗透能的主要技术。RED设备中最重要的组件是离子交换膜（IEMs）（Herrero-Gonzalez等人，2024），它们具有选择性地传输离子的能力和离子渗透特性（Kim等人，2010），这是进一步提高RED效率的关键步骤。
迄今为止，源自生物质的纳米纤维素因其丰富性、可再生性、高长径比、无毒性和可生物降解性，已成为构建可持续功能膜的高效平台。纳米纤维素由天然聚合物纤维素组成，化学式为[C6H10O5]n，其链结构由通过β-1,4-糖苷键共价连接的重复的d-葡萄糖单元构成，主要来源于植物，如木材、棉花和海鞘（De France等人，2017；Shen等人，2023；L. Zhang等人，2022a；L. Zhang等人，2023a）。纤维素纤维含有丰富的亲水性羟基，可以与其他分子间或分子内的含氧基团形成强氢键（Tian等人，2017；Xue等人，2022），并自然组装成宽度在5到50纳米范围内的微纤维（Fang等人，2025；M. Liu等人，2025；Rostami等人，2022；S. Yang等人，2020）。这些微纤维可以根据存在区域和自上而下的加工方法分为两类：纤维素纳米晶体（CNC）和纤维素纳米纤维（CNF）（图1所示）（Tian等人，2019；T. Xu等人，2021）。有趣的是，直径小于70纳米、长度为100–250纳米的CNC通常由有序的结晶区域组成，而直径减小到小于10纳米、长度增加到微米级的CNF则来源于无定形区域的非有序区域（Noremylia等人，2022）。与原始的块状纤维素材料相比，纳米纤维素具有显著的机械性能，机械强度约为7.5 GPa（Shen等人，2023），理论模量达到100–200 GPa（T. Li等人，2021）。细菌纤维素（BC）是另一种典型的纳米纤维素类型，通过自然的自下而上方法合成。这一过程涉及好氧非致病细菌分泌纤维素纤维，随后进行发酵和纯化（Wu等人，2023）。所得BC的直径通常在3到4纳米之间，长度可达100微米，具有高纯度、高结晶度和生物相容性（Hao等人，2023；Klemm等人，2018；Neelima等人，2023；T. Xu等人，2021）。鉴于其独特的微观结构和性能，纳米纤维素已被用作构建各种纳米纤维素基膜的构建块，应用于多个领域，例如具有高机械强度和柔性的CNF基膜用于电磁干扰（EMI）屏蔽（Bing Zhou等人，2020）、具有改进的水阻性能的纳米纤维素/PVA膜用于塑料包装（Srivastava等人，2021）、在潮湿环境中具有高透明度和湿拉伸模量的TEMPO氧化CNF膜用于包装（Soni等人，2020）、用于超级电容器结构电极的CNF/MXene膜（Tian等人，2019）、具有抗氧化和抗菌性能的CNF-/CNC基膜用于食品包装（W. Zhang等人，2021a）。
纳米纤维素无疑为构建高效RED过程所需的可持续IEMs提供了一个强大的平台。高长径比纳米纤维素的独特微观结构赋予了纳米纤维素基IEMs可调的孔隙率、表面活性基团、表面电荷密度和机械性能，进一步调节了它们的离子选择性和离子渗透性。一些先前的研究报道了原始纳米纤维素IEMs以及通过整合其他纳米材料（包括氧化石墨烯（GO）（Ma & Sun, 2024；C. Yu等人，2024）、二硫化钼（MoS2）（Graf等人，2019）、蒙脱石（MMT）（Tang等人，2024）、过渡金属碳化物和氮化物（MXene）（S. Hong等人，2022；H. Qin等人，2022；Rao等人，2023）、共价有机框架（COF）（Li Cao等人，2022）和MOF（Lu等人，2020；Tonnah等人，2023；Zhao等人，2021）的纳米纤维素基混合或复合IEMs，以进一步提高它们的RED性能（图2）。
据我们所知，已经发表了几篇关于基本原理、纳米流体通道和渗透能转换装置的综述文章（Z. Ding等人，2025；S. Li等人，2024；Shawalludin等人，2025；Zhang等人，2021b）。例如，具有带电表面的纳米流体通道和定制的离子传输动力学能够实现比商用IEMs更高的性能（Zhang等人，2021b）。此外，IEMs的固有物理性质，特别是机械特性，也显著影响渗透能转换的效率（Li等人，2024）。还有一些综述文章从化学工程和微观结构的角度对纤维素基纳米复合材料进行了全面分析（Chen等人，2025b），以及它们的离子传输机制、低成本和环保性（C. Chen & Hu，2020；Z. Ding等人，2025；C. Chen，Berglund，Burgert，& Hu，2021）。然而，到目前为止，还没有专门针对使用RED过程进行盐度梯度渗透能转换的纳米纤维素基IEMs的研究进展的综述文章。因此，本综述旨在促进纳米纤维素基IEMs在高效盐度梯度渗透能转换领域的进一步发展。
章节片段
基于纳米纤维素的IEMs的RED机制
当基于纳米纤维素的IEMs浸入水电解液中时，具有天然负表面电荷的纳米纤维素能够在固液界面形成电双层（EDL）（图3a）。EDL由靠近纳米纤维素表面的稳定层和逐渐扩散到溶液中的扩散层组成，后者的反离子浓度明显高于共离子。在EDL的纳米受限空间内，
基于BC的混合IEMs
BC作为一种可再生且成本效益高的纳米材料，被认为是用于RED系统中IEMs大规模制造的理想候选材料。然而，由于表面电荷密度不足，基于BC的IEMs在离子交换能力方面仍有改进的空间。为了解决这个问题，一些研究采用了TEMPO氧化和羟基醚化反应等化学改性方法
结论与展望
具有可调长径比、活性表面基团、柔韧性和亲水性的可再生纳米纤维素引起了广泛关注，成为石油基材料的有希望的替代品。同时，RED作为一种可行的技术，可用于从盐度梯度中可持续地转换渗透能。因此，在RED系统中利用纤维素基材料进行渗透能转换是一种缓解能源危机和产生绿色能源的有前景的策略
CRediT作者贡献声明
余新蕾：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、研究、数据分析。张黎明：撰写——审稿与编辑、资金筹集、数据分析。车洪林：撰写——审稿与编辑、数据分析。刘梦宇：撰写——审稿与编辑、验证、数据分析。陈敬焕：撰写——审稿与编辑、数据分析。田超：撰写——审稿与编辑、资金筹集、数据分析。陈敬伟：撰写——审稿与编辑，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
我们感谢国家自然科学基金（编号：52203341、32301532、U22A20422）、学科人才引进计划，项目111（编号：B21022）、山东省优秀青年科学家基金（海外）（编号：2023HWYQ-061）、山东省泰山学者计划（编号：tsqn202306105）、山东省自然科学基金（编号：ZR2025MS108、ZR2023QC097）的资助。
