综述：关于反电渗析在能量转换中的应用综述：操作参数与多参数耦合效应

盐度梯度能利用技术中的反向电渗析（RED）系统性能受溶液环境多因素影响，包括盐度梯度、温度、pH、离子种类及纳米通道表面特性。通过整合纳米尺度离子传输机制与宏观系统优化，揭示了操作条件对功率密度、能量转换效率和离子选择性的调控规律，重点分析了电双层（EDL）动力学、纳米通道几何设计与多参数耦合效应（如温度-盐度-PH协同作用）的交互作用。提出表面电荷调谐、非对称纳米通道设计及机器学习优化等先进策略以解决选择性与渗透率的权衡及多价离子干扰问题，并指出分子尺度验证与自适应运行策略的未来研究方向。摘要：

Jinhui Zhou|Cunlu Zhao|Yingtao Sun|Runchen Zhao|Zhigang Li|Chun Yang|Qiuwang Wang|Dongxu Ji|Gengzhi Sun|Yanmei Jiao

南京工业大学物理与数学科学学院，南京，211816，中国

摘要

反向电渗析（RED）作为一种有前景的技术，已被用于收集盐度梯度能量（SGE），为全球能源挑战提供了可持续的解决方案。本文系统地研究了溶液环境（包括盐度梯度、温度、pH值、离子种类以及纳米通道表面性质）在调控RED性能中的关键作用。通过将纳米尺度离子传输机制与宏观系统优化相结合，我们阐明了操作条件如何影响功率密度、能量转换效率和离子选择性等关键指标。特别强调了电双层（EDL）动态、纳米通道几何形状以及多参数耦合效应（例如温度-盐度-PH值协同作用）之间的相互作用。文章讨论了先进的策略，如表面电荷调制、非对称纳米通道设计和基于机器学习（ML）的优化方法，以解决选择性-渗透性权衡和多价离子干扰等问题。此外，本文还指出了未来的研究方向，包括分子尺度验证以及适用于实际应用的自适应操作策略。本研究旨在弥合基础研究与实际应用之间的差距，为提升可再生能源和海水淡化系统中的RED技术提供可行的见解。

引言

随着全球人口的增长、城市化的加速以及工业的发展，能源需求持续上升[1]。尽管可再生能源技术取得了进步，传统化石燃料仍主导着全球能源格局[2]，这种持续的依赖加剧了环境污染[3,4]和这些资源的快速枯竭[5,6]。在这种背景下，开发和利用可再生能源变得日益紧迫。在过去的几十年里，人们不断探索各种可再生能源，包括太阳能、风能、海洋能和地热能，以应对能源可持续性和环境保护的双重挑战[[7], [8], [9], [10]]。太阳能和风能作为当前可再生能源研究的主流方向，其发电技术已达到相对成熟的阶段，如图1所示[[11], [12], [13], [14]]。与此同时，占地球表面70%的海洋拥有巨大的可再生能源潜力，但在能源开发方面尚未实现完全商业化。目前的海洋能源技术主要从潮汐、波浪、洋流、河海之间的盐度梯度、海洋温差以及生物质中提取能量。这些技术仍处于不同的开发阶段。此外，潮汐能的利用已经达到了较高的成熟度[15]。与其他形式的海洋能源相比，利用盐度梯度能量（SGE）进行发电具有更大的可行性。

SGE是海洋能源的重要组成部分，主要存在于河流与海洋的交汇处[[16], [17], [18], [19]]。这种能量来源于两种不同盐度液体的化学势差。在实验中，通常使用咸水、河水和海水等溶液，从而考虑了混合过程中的熵[20,21]。通过采用特定的能量转换方法，这种化学势差可以产生电能。研究表明，当一立方米河水流入海洋时，可以产生约0.8千瓦时的电能[22,23]。根据Post等人的研究[24]，在理想条件下，通过反向电渗析（RED）技术回收SGE的效率可超过80%，每立方米河水可产生超过1.2兆焦耳的能量，从而展示了其巨大的潜力。此外，SGE在地理上分布广泛，存在于海洋、河流、盐湖和地下水的交汇处。因此，它被认为是一种绿色、稳定、丰富且可持续的可再生能源。针对低碳经济的目标，高效SGE转换技术的进步有望为解决能源危机、应对气候变化和确保可持续经济发展提供新的解决方案[25]。

目前，SGE技术主要根据其核心物理机制分为三类：基于离子扩散的技术（如RED和电容混合（CapMix）；基于液态水渗透的技术（如压力延迟渗透（PRO）；以及基于水蒸气扩散的技术（如蒸汽压驱动渗透（VPDO）[26]。然而，单个系统往往在效率或经济可行性方面存在局限性。因此，开发各种混合系统（如混合反向电渗析和反向渗透（RED-RO）系统、CO₂-RED以及RED热发动机）已成为SGE利用领域的研究重点。RED通过利用盐度梯度驱动的离子流动来发电，这些离子通过交替的离子交换膜（IEMs）被选择性引导，从而产生离子电流，然后在堆栈电极处通过氧化还原反应转换为外部电流[27,28]。在商业膜领域，PRO技术的功率密度达到了2.4–38瓦/平方米[[29], [30], [31], [32], [33]]，而RED的功率密度通常为0.21–3.92瓦/平方米[34]。然而，新型膜材料的最新发展显著提高了RED的实验室规模功率密度。此外，PRO本身仍面临膜污染[35]、离子浓度极化（ICP）[36]以及需要高压[37]设备等挑战。

就技术成熟度（TRL）而言，PRO和RED相当，两者都完成了试点规模演示[38]。相比之下，VPDO仍处于理论阶段，目前尚未有实验研究报道[26]。作为一种无膜的替代方案，CapMix的功率密度仍然相对较低（0.02–1.5瓦/平方米）[39,40]。各种混合系统（如RED-RO、CO₂-RED）的成熟度远低于单独的RED或PRO，因为它们主要仍处于理论或初步实验阶段，代表了新兴的技术变体[41,42]。尽管RED热发动机已经完成了实验室规模的原则验证并建立了实验系统，但由于其对低等级热源的依赖以及复杂的热再生系统，它距离实际应用还有相当长的路要走[[43], [44], [45]]。

目前关于RED堆栈的研究集中在开发新型IEM材料[46]、通过调整操作条件来提升性能[47]以及结构设计优化[48]上，如图2所示。近年来，由于纳米流体技术的优势，针对纳米流体反向电渗析（NRED）系统的研究显著增加。具有固有纳米尺度特性和增强离子通量的先进膜材料（如凯夫拉尔衍生物纳米材料[46]或氧化石墨烯[49]）使其特别适合探索高性能NRED。与传统宏观系统相比，NRED系统的结构复杂性降低，大大提高了实验和计算的可行性。因此，可以系统地研究操作环境的关键因素（如温度[51]、离子种类[52]和pH值[53]，以加深我们对它们对系统性能影响的理解，并实现有针对性的优化策略。

尽管关于操作条件的研究通常关注IEMs的宏观性能，但其本质特征主要由膜内纳米通道的传输性质决定。因此，分析操作条件对纳米尺度离子传输的影响对于理解宏观行为和优化RED系统至关重要。然而，关于操作条件与纳米尺度离子传输机制之间关系的系统综述仍存在明显不足。现有的研究大多局限于总结单个操作参数的影响，而多参数耦合效应的研究已成为当前的重点。本文旨在通过系统地组织RED系统中的离子传输机制，并阐明不同操作条件下离子迁移的演变行为，来填补这一空白。

部分摘录

驱动力和传输现象

三个主要因素决定了纳米通道内离子的传输。首先，RED系统中的主要驱动力是纳米通道中的盐度梯度，它产生了驱动离子传输的电化学势梯度（图3a）[54,55]。其次，离子从体相溶液分配到纳米通道的过程受到离子浓度和一系列胶体力的影响，包括静电排斥力、范德华力和表面疏水性等

纳米通道的表面电荷密度

纳米通道的固液界面会产生表面电荷，这显著影响离子分布，吸引反离子并排斥同离子，从而控制离子选择性[[92], [93], [94]]。表面电荷密度的增加通常会由于Fick定律和离子扩散的作用而提高离子选择性。这种效应受溶液环境和纳米通道表面活性基团的性质影响[[95], [96], [97], [98]

挑战与展望

目前关于RED系统操作参数的研究取得了系统性进展，不仅阐明了关键参数（如温度、pH值、离子价态）对离子传输的调控机制，而且对多参数耦合（如盐度梯度-温度协同作用和pH值-离子种类相互作用）的研究也揭示了显著的协同增强和竞争抑制现象。然而，一些基本挑战仍然存在

结论

本文从纳米尺度机制的角度系统地研究了操作参数对RED系统性能的影响。主要发现揭示了几个关键见解：表面电荷密度通过调节电双层（EDL）显著控制离子选择性，最佳性能需要在提高选择性的同时注意减少离子渗透性。盐度梯度是主要的驱动力

CRediT作者贡献声明

Jinhui Zhou：概念构思、形式分析、软件开发、可视化、初稿撰写。Cunlu Zhao：概念构思、资金获取、研究设计、方法论、审稿与编辑。Yingtao Sun：资源提供、数据管理、研究实施、验证。Runchen Zhao：研究实施、资源提供、可视化、初稿撰写。Zhigang Li：方法论设计、研究实施、审稿与编辑、指导。Chun Yang：概念构思、方法论设计、项目规划

科学写作中生成式AI的声明

在准备本工作时，作者使用了Gemini和Deep Research工具来改进语言表达。使用这些工具后，作者根据需要对内容进行了审阅和编辑，并对发表文章的内容承担全部责任。

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报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金的支持[资助编号：51976157, 52106246]。我们衷心感谢Haotian Dai在地理和水文建模方面的专业知识，这极大地增强了本研究的背景。