二維（2D）膜是滲透能量轉換的新興候選者，但是離子選擇性和電導率之間的平衡仍然是關鍵瓶頸?；诖?，德國德累斯頓工業(yè)大學馮新亮院士、Thomas Heine和董人豪博士（共同通訊作者）等人報道了一種完全結晶、納米級厚度的基于亞胺的二維聚合物（2DPI）膜，該膜可以實現(xiàn)優(yōu)異的離子電導率和高選擇性的滲透能量轉換。由于其固有的單分散孔（~10¹⁷?m^-2）、功能性羥基高的空間密度（~1.5×10²⁷?m^-3）和全結晶結構，該2DPI膜具有優(yōu)異的離子電導率和高選擇性起，而納米級厚度（~70 nm）產(chǎn)生相當高的離子通量，實現(xiàn)了創(chuàng)紀錄的53 W m^-2的功率密度，比傳統(tǒng)的離子交換膜高一個數(shù)量級，并且優(yōu)于大多數(shù)納米多孔2D膜。

此外，該2DPI膜可以優(yōu)先傳輸Na⁺，選擇性系數(shù)為0.98（Na⁺/Cl^–選擇性比~84），以及K⁺選擇性系數(shù)為0.93（K⁺/Cl^–比~29）的陽離子。通過密度泛函理論（DFT）計算溶劑化離子與2DPI主鏈及其擴散勢壘的相互作用，實現(xiàn)了對能量轉換過程的分子水平理解。該研究成果將激發(fā)研究人員進一步努力合理設計用于納米流體能源應用的結晶2DP膜。

基于膜的反電滲析是一種未來的技術，可用于捕獲海水和淡水之間的藍色滲透能等。此外，小型反向電滲析裝置可用于通過利用體內不同的流為植入式器件供電等。作為反向電滲析的核心組件，傳統(tǒng)的膜的離子傳輸能力不足。二維（2D）材料已成為開發(fā)替代功能膜的有希望的構件。堆疊原子級納米片具有選擇性高、易制備和可擴展等優(yōu)點，但由于從幾微米到幾十微米的大厚度和無序的離子傳輸路徑，離子電導率有限?；趩螌?D材料的膜可以實現(xiàn)超高電導率，但由于對孔尺寸和分布的可控性差、官能團密度低以及隨機缺陷的數(shù)量，導致離子選擇性差。因此，克服離子選擇性和電導率之間的平衡效應仍然面臨巨大的挑戰(zhàn)。二維聚合物（2DPs）是共價連接的單體網(wǎng)絡，在兩個不同的維度上具有周期性鍵合。具有優(yōu)異穩(wěn)定性的2DPs可以分離為堅固的超薄納米多孔膜，具有高密度的固有單分散孔、高密度的官能團和良好的結構均勻性，有利于克服上述問題。

全結晶2DPI膜

Cation-selective two-dimensional polyimine membranes for high-performance osmotic energy conversion.?Nature Communications,?2022, DOI: 10.1038/s41467-022-31523-w.