福建农林大学李建国等综述：从天然纤维素到蓝色能源—解锁渗透能转换的绿色密码

Sustainable Cellulose Enables Blue Energy Toward Osmotic Energy Conversion

Yingchao Wang, Jianping Shi Qianhong Zhang, Hui Wu, Qingxian Miao, Liulian Huang, Lihui Chen*, Yonghao Ni*, Jianguo Li*

Nano-Micro Letters (2026)18: 378

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02213-9

本文亮点

1. 系统总结了木材、纳米纤维素、再生纤维素和细菌纤维素等材料在盐差能收集领域的最新研究进展。

2. 深入揭示了表面电荷、孔径尺寸、孔隙率、膜厚度及异质结构等关键因素对离子选择性传输和渗透能转换性能的调控机制。

3. 从长期稳定性、抗溶胀设计、规模化制造和反向电渗析(RED)系统集成等角度，系统分析了纤维素基膜未来产业化面临的关键挑战与发展方向。

研究背景

随着人工智能、大数据中心和新能源产业的快速发展，全球能源需求持续增长。传统化石能源带来的资源消耗和环境问题使开发绿色可持续能源成为全球关注的重要课题。盐差能是淡水与海水混合过程中释放的吉布斯自由能。据估算，全球盐差能理论储量接近2000 GW，其中约980 GW可通过现有技术实现回收利用。由于其来源广泛、持续稳定且不受昼夜和气候变化影响，盐差能被认为是未来最具发展潜力的可再生能源之一。目前，反向电渗析(RED)和压力延迟渗透(PRO)是实现盐差能利用的两种主要技术路线。其中，离子选择性膜作为核心部件，直接决定离子传输效率和能量转换性能。作为自然界最丰富的天然高分子，纤维素具有可再生、生物可降解等优势，其分子链富含羟基等活性官能团，可通过氧化、酯化、接枝等化学修饰实现表面电荷和孔道结构的调控，从而赋予材料优异的离子选择性传输能力。近年来，纤维素基纳流体膜在盐差能转换领域迅速发展，展现出良好的应用潜力。

内容简介

近年来，纤维素基纳流体膜凭借可再生来源、丰富的表面化学和可调控的纳米结构，在盐差能转换领域展现出巨大潜力。然而，不同纤维素体系的结构特点、离子传输机制及工程化应用策略仍缺乏系统总结。针对这一问题，福建农林大学李建国团队系统梳理了木材、纳米纤维素、再生纤维素和细菌纤维素等典型材料体系的发展脉络，重点分析了表面电荷、孔径尺寸、孔隙率、膜厚度和异质结构等关键参数对离子选择性传输与渗透能转换性能的影响规律。同时，文章进一步从长期运行稳定性、抗溶胀设计、规模化制造以及RED堆栈集成等工程化角度出发，总结了纤维素基膜未来产业化面临的关键挑战与发展方向，为新一代绿色高效盐差能转换膜材料设计提供了理论指导。

图文导读

I 从天然纤维素到纳流体膜：纤维素的能源进化之路

纤维素不仅是植物细胞壁的主要组成成分，更是一种天然的离子传输载体。其丰富的羟基结构赋予材料良好的化学可调控性，而天然形成的多级孔道网络则为离子传输提供了理想通路。通过结构设计与表面功能化调控，纤维素逐渐从传统结构材料发展为高效能源材料，实现从“结构材料”向“能源材料”的跨越。

图1. 纤维素基膜在盐差能转换领域的发展历程及代表性研究成果。

(1)木材基膜：天然纳米通道的直接利用

天然木材内部拥有高度定向排列的细胞腔和纳米纤维网络，可天然形成离子传输通道。这种独特的层级结构不仅有利于离子定向迁移，还为构筑高效纳流体体系提供了天然模板。研究人员通过脱木素、表面电荷修饰以及水凝胶填充等策略，不断提升木材膜的离子选择性和机械稳定性，使其具备盐差能转换能力。同时，木材丰富的表面官能团也为后续功能化改性提供了广阔空间。相比人工构筑纳米通道，木材基膜兼具绿色、低成本和规模化优势，在可持续能源材料领域展现出良好的应用前景。

图2. 木材在渗透能转换中的应用。

(2)纳米纤维素：高性能纤维素膜的核心平台

纳米纤维素具有超高比表面积、丰富表面官能团以及优异成膜性能，是目前研究最活跃的纤维素体系之一。其来源广泛、可加工性强，能够通过自组装、层层组装等方式构筑多尺度有序结构，为离子传输调控提供了丰富的设计空间。通过与MXene、石墨烯氧化物(GO)、g-C₃N₄、MOF等功能纳米材料复合，可以精准调控纳米通道尺寸和表面电荷环境。同时，不同功能组分之间的协同作用还能够优化离子筛分行为，进一步提升膜的能量转换效率。这种“结构调控 + 界面调控”的协同设计显著提升了离子选择性和功率输出，部分体系的功率密度已突破7 W m⁻²。

图3. 纳米纤维素在渗透能转换中的应用。

(3)再生纤维素：可重构离子传输网络

再生纤维素通过纤维素溶解-再生过程获得，其最大的优势在于能够实现分子尺度的结构重构。通过调控溶剂体系、再生条件以及功能化过程，可构筑具有均一孔道结构和可控表面电荷的离子传输网络。同时，再生过程赋予材料更高的结构可设计性，使其能够根据不同应用需求实现离子传输行为的精准调控。近年来，再生纤维素膜被广泛用于构建高选择性纳流体通道，通过引入带电基团或构筑非对称结构，有效提升离子筛分能力和盐差能转换效率。部分研究还结合二维纳米材料或功能填料构建复合膜体系，进一步优化离子选择性与传输速率之间的平衡。其良好的成膜性能和可规模化制备特点，也为实际应用提供了重要基础。

图4. 再生纤维素在渗透能转换中的应用。

(4)细菌纤维素：天然三维网络助力稳定发电

细菌纤维素由微生物直接合成，具有高纯度、超细纳米纤维结构以及天然三维互联网络等特点。与植物来源纤维素相比，其无需复杂提纯过程即可获得高度均一的纳米纤维骨架，为离子传输提供连续且稳定的通道。同时，其丰富的表面羟基为后续功能化修饰提供了便利，有助于进一步调控膜的表面电荷和离子选择性。此外，细菌纤维素优异的机械强度和水稳定性使其特别适用于长期运行的渗透能转换系统。通过与二维纳米材料、功能聚合物等构建复合结构，还能够进一步优化离子传输行为并提升能量转换效率。部分研究已实现超过100天的连续稳定发电，展现出良好的耐久性和应用潜力。

图5. 细菌纤维素在渗透能转换中的应用。

II 高性能纤维素基纳流体膜的设计原则

为了实现高效盐差能收集，纤维素基纳流体膜不仅需要具备优异的离子选择性，还需要兼顾快速离子传输能力和长期运行稳定性。本文系统总结了影响渗透能转换性能的五个关键设计参数：

(1)表面电荷调控

表面电荷是决定离子选择性的核心因素之一，较高的表面电荷密度能够增强离子筛分能力，提高膜对目标离子的选择性传输。纤维素分子链上富含羟基，为化学功能化提供了天然优势。研究人员可通过TEMPO氧化引入羧基 (-COOH)、接枝磺酸基 (-SO₃H) 或季铵基等带电官能团，提高膜表面的固定电荷密度，增强Donnan排斥效应，从而实现高效离子选择性传输。

图6. 表面电荷调节。a 负电荷表面附近电层结构机制及表面带电纳米通道的离子选择性的示意图。b 电化学膜的设计与性能。c 表面电荷分布均匀性对膜性能的影响。d 表面粗糙度对膜性能的影响。

(2)孔径尺寸调控

纳米通道尺寸直接决定电双层重叠程度和离子筛分能力，是影响渗透能转换性能的重要因素。纤维素材料具有可调控的多级孔道结构，可通过纳米纤维组装、溶解再生、交联调控以及与二维纳米材料复合等策略，精准构筑不同尺度的离子传输通道。当孔径接近德拜长度时，电双层重叠效应增强，有利于提高离子选择性；而适当增大孔径则有助于降低传输阻力，实现离子选择性与离子通量之间的平衡。

图7. 孔径对渗透能转换的影响。a 孔径大小、输出电压和渗透电流之间的权衡关系。b 由于孔径增大引起的阴离子反向扩散导致的膜电荷选择性的破坏。c 由高表面电荷和不对称几何结构的协同作用实现高效的离子传输。d 通过“通道扩张增强空间电荷”策略在非亚纳米通道中实现高阳离子选择性。

(3)孔隙率优化

孔隙率影响膜内离子传输路径数量和传输效率，是决定离子通量的重要结构参数。纤维素基膜可通过调节纤维堆积方式、冷冻干燥条件、模板辅助构筑以及多孔网络设计等方法实现孔隙率调控。较高孔隙率能够提供更多离子传输通道，降低传输阻力；但过高孔隙率可能削弱表面电荷对离子的调控作用，因此需要通过结构优化实现离子选择性与传输效率的协同提升。

图8. 孔隙率对渗透能转换的影响。a 不同孔径和密度的超薄纳米多孔膜的功率密度。b 纳米流体渗透能转换中异常的孔隙密度依赖性。c PCC 膜的孔隙率和功率密度。d 孔隙间距对膜功率密度的影响。

(4)膜厚度调控

膜厚度直接影响离子传输距离和膜内阻，是影响输出功率的重要因素。得益于优异的成膜性能，纤维素材料能够通过真空抽滤、层层组装、界面组装等方法制备厚度可控的超薄膜。适当减薄膜厚可以缩短离子迁移路径、降低传输阻力，从而提高能量转换效率;同时还需通过交联增强或复合强化等策略保证膜的机械稳定性和长期运行可靠性。

图9. 膜厚度对渗透能转换的影响。a 长纳米通道和短纳米通道低浓度一侧的离子浓度分布以及盐度梯度能量转换中的异常通道长度依赖性。b 渗透能收集过程中通道长度依赖性的数值模拟。

(5)异质结构设计

异质结构能够通过构建不同电荷分布、孔径梯度或功能层组合，实现更加高效的离子定向传输。纤维素良好的复合兼容性使其能够与MXene、石墨烯氧化物(GO)、MOFs及其他功能材料构筑多层或梯度异质结构。通过调控不同层之间的界面特性，可进一步增强离子选择性、降低传输阻力，并缓解浓差极化效应，从而提升整体渗透能转换性能。这种基于纤维素的异质结构设计已成为开发高性能纳流体膜的重要研究方向。

图10. 纳米流体膜的异质结构。a 与传统的多孔膜相比，异质膜能够显著降低浓度极化现象。b 具有电荷/结构异质性的膜的渗透能转换性能。c 非对称 CNF 膜的离子传输行为。

III 从实验室到实际应用：纤维素基膜面临的挑战与机遇

尽管近年来纤维素基纳流体膜在盐差能转换领域取得了显著进展，但距离大规模实际应用仍存在一定距离。除了不断提升离子选择性和能量转换效率之外，膜材料还必须兼顾长期稳定运行、机械可靠性以及规模化低成本制造等要求。因此，如何实现材料性能与工程应用之间的有效衔接，已成为推动纤维素基膜走向产业化的关键问题。

(1)能量收集能力：功率密度持续突破

能量收集能力是评价渗透能转换膜性能的核心指标，通常以功率密度、输出电压和能量转换效率等参数进行衡量。近年来，通过表面电荷调控、纳米通道构筑以及异质结构设计等策略，纤维素基膜的输出性能不断提升，部分体系的功率密度已突破7 W m⁻²。高离子选择性往往伴随着传输阻力增加，而高离子通量又可能削弱离子筛分能力，两者之间存在明显的权衡关系。此外，浓差极化 (ICP) 低浓度侧内阻以及界面传质限制等问题仍会显著降低实际输出性能。因此，如何在离子选择性、离子通量和系统阻力之间实现协同优化，仍是未来提升能量收集效率的重要研究方向。

(2)长期运行稳定性：迈向应用的关键指标

长期稳定运行是盐差能技术实现实际应用的重要前提。由于纤维素具有较强亲水性，在长期浸泡、高盐环境以及持续离子迁移条件下容易发生吸水溶胀、结构松弛甚至性能衰减，从而影响膜的离子选择性和输出稳定性。近年来，研究人员通过化学交联、表面疏水化以及纳米填料增强等策略显著提高了纤维素膜的结构稳定性。部分再生纤维素膜和细菌纤维素复合膜已实现超过100天的持续稳定发电，展现出良好的应用前景。然而，目前多数研究仍停留在实验室模拟体系，针对真实河水、海水以及工业废水等复杂环境的长期运行研究仍相对有限。未来需要进一步提高膜材料的抗溶胀、抗污染和环境适应能力，以满足实际应用需求。

(3)机械性能：支撑RED堆栈运行的重要基础

在实际反向电渗析系统中，膜材料不仅承担离子选择性传输功能，还需要承受液体流动、膜堆压缩及长期循环运行带来的机械应力。因此，优异的机械性能是保障系统稳定运行的重要基础。天然木材和细菌纤维素由于具有天然三维骨架结构，通常表现出较好的力学性能；而纳米纤维素膜和再生纤维素膜虽然具有优异的离子传输性能，但在湿态条件下容易出现强度下降和尺寸变化。通过交联强化、结晶结构优化以及无机纳米材料复合等策略，可有效提高膜的机械强度和尺寸稳定性。未来仍需进一步实现机械强度、离子选择性和传输效率之间的协同优化。

(4)规模化制备与成本降低：产业化必须面对的问题

规模化制造和成本控制是纤维素基膜实现产业化应用的关键环节。与传统离子交换膜相比，纤维素来源广泛、价格低廉且可再生，具有天然的成本优势。然而，目前多数高性能纤维素基膜仍主要依赖真空抽滤、自组装、层层组装以及溶解再生等实验室制备工艺，存在生产效率低、规模放大困难以及产品一致性不足等问题。同时，部分功能化改性过程仍需使用氧化剂、有机溶剂或高价值纳米填料，也会增加制造成本和环境负担。未来需要发展连续化、卷对卷 (Roll-to-Roll) 等先进制造技术，建立绿色低能耗制备路线，并结合生命周期评估 (LCA) 和技术经济分析 (TEA) 系统评价其经济可行性。同时，还需推动膜材料与RED堆栈、电极系统以及流体管理模块的协同设计，实现从单一膜材料开发向完整能源系统构建的跨越。

IV 总结

作为一种来源广泛、绿色可持续的天然高分子材料，纤维素正逐渐成为蓝色能源领域最具发展潜力的膜材料之一。近年来，研究人员通过纳米结构设计、表面功能化修饰以及多尺度复合策略，不断提升纤维素基纳流体膜的离子选择性和能量转换效率，使其在盐差能收集领域展现出巨大的应用潜力。

凭借可再生来源、丰富的表面化学、优异的机械性能以及高度可调控的纳米结构，纤维素为构筑高性能离子选择性膜提供了独特优势。从天然木材、纳米纤维素到再生纤维素和细菌纤维素，不同类型的纤维素材料均展现出优异的离子传输特性，为开发低成本、高效率、环境友好的蓝色能源转换装置提供了新的思路。

尽管在功率密度、离子选择性和长期稳定性等方面已经取得显著进展，但距离实际应用仍面临诸多挑战。例如，如何进一步降低膜电阻并提高离子传输效率，增强膜在高盐度及复杂天然水环境中的结构稳定性，以及实现低成本、规模化和标准化制造，仍是未来研究需要重点突破的问题。同时，浓差极化、膜污染以及长期运行过程中的性能衰减等工程化问题，也需要通过材料设计与系统优化协同解决。

展望未来，随着纳米结构工程、界面化学调控、先进制造技术以及系统集成优化的不断发展，纤维素基纳流体膜有望实现更高效、更稳定的盐差能转换。通过材料科学、化学工程、能源科学和先进制造等多学科交叉融合，推动基础研究与实际应用场景深度结合，纤维素基膜有望加速盐差能技术从实验室研究走向规模化应用，为开发新型可再生能源、促进全球绿色低碳发展和能源转型提供重要支撑。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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