太阳能作为一种可再生的清洁能源，其高效开发与利用一直备受关注。仿生纳米流体通道膜中的光致离子输运为有效捕获太阳能提供了一种新思路。然而，现有纳米流体通道膜体系中光生载流子的高复合率导致离子输运驱动力不足，从而限制了其光电转换效率的进一步提升。针对这一问题，河北师范大学贾盼副教授、周金明教授团队报道了通过构筑Pt@WS2肖特基异质结，实现高效的光致离子输运的新策略。在该异质膜中，肖特基异质结的光伏效应与WS2层状膜的光导效应协同作用，有效促进了光生载流子的分离和高效的光致离子输运，并最终实现了可见光增强的渗透能转换。比如，在10−3 M的平衡电解质溶液中，Pt@WS2异质膜的光致离子电流和电压分别可达11.84 μA cm−2和30.67 mV。在可见光照和渗透能协同作用下，其输出功率密度有效提升至5.02 W m−2。这项研究将肖特基异质结引入纳米流体体系，为提升光驱动离子输运性能提供了一个新思路，同时拓展了获取离子能和光能的新方式，有望为开发新一代具有多重智能响应的光控离子电路、人工光合作用及仿生能量转换的先进材料提供了重要启发。该成果以“Pt@WS2 Mott–Schottky Heterojunction Boosts Light-Driven Active Ion Transport for Enhanced Ionic Power Harvesting”为题发表在ACS Nano上。1．基于二维纳米流体的超快渗透、高选择性和肖特基异质结的优异光响应特性，通过简单的真空抽滤和离子溅射方法构建了具有肖特基异质结的Pt@WS2异质膜，实现了高效的光致离子主动输运。2．高效的光致离子输运源于肖特基异质结的光伏效应与WS2层状膜的光导效应的协同作用，有效促进了光生载流子的分离。3．光致离子主动输运与渗透能驱动的离子被动输运协同作用实现了可见光增强的渗透能转换，3 M/10−3 M的浓度梯度下，其输出功率密度有效提升至5.02 W m−2。图1 Pt@WS2异质膜光致离子输运体系及其结构表征：所用WS2纳米片通过锂插层法制备，由金属相和半导体相杂化构成，具有单层结构以及丰富的表面电荷。通过简便的真空自组装和离子溅射制备了Pt@WS2异质膜，其表面平滑、亲水，Pt纳米颗粒均匀分布，且具有良好的层状结构，其有效层间距允许大多数的水合离子通过。膜通道表面高的负电性赋予其优异的阳离子选择性。图2 Pt@WS2异质膜中的光致离子输运及其调控：在平衡电解质溶液体系中，可见光照射异质膜的Pt侧可激发从WS2端到Pt端的离子电流。Pt@WS2异质膜的光响应大于纯WS2膜，其光响应随着光照强度、电解质溶液浓度、Pt含量的增加而逐渐增强。图3 光致离子输运机理：Pt@WS2膜中肖特基异质结的光伏效应与WS2层状膜的光导效应协同作用，共同促进光生载流子的分离。图4 机理验证：构筑了多种符合该能带结构的Pt基异质膜，其光响应显著高于相应的纯膜；而对于不符合该能带结构的异质膜，光响应提升较小。图5 可见光增强渗透能转换：光致离子主动输运与渗透能驱动的离子被动输运协同作用，实现了可见光增强的渗透能转换，同时捕获渗透能和太阳能。在3M/0.001M浓度梯度下，光照条件下的功率密度可提高至5.02 W m−2。
总结：本工作通过构筑具有肖特基异质结的二维纳米流体通道膜，实现了高效的光致离子主动输运，并将其进一步应用于光增强的渗透能转换。肖特基异质结的光伏效应与WS2层状膜的光导效应协同作用，显著促进了异质膜中光生载流子的高效分离，从而产生较大的跨膜电势差，驱动高效的离子输运。光致离子主动输运能够进一步与渗透能驱动的离子被动输运协同作用，从而实现高效的光增强渗透能转换。将肖特基异质结集成到纳米流体体系中，为提升光致离子主动输运效率提供了一种新策略，拓展了离子能和光能的利用途径。该体系成功实现了太阳能与渗透能的协同转换，为提高渗透能转换输出功率提供了新思路，此外，该工作为开发新一代具有多重智能响应的光控离子电路、人工光合作用及仿生能量转换的先进材料提供了重要启示。
Pan Jia*, Zhitong Han, Jiansheng Chen, Junchao Liu, Lina Wang, Xinyi Zhang, Yue Guo, and Jinming Zhou*. Pt@WS2 Mott−Schottky Heterojunction Boosts Light-Driven Active Ion Transport for Enhanced Ionic Power Harvesting [J]. ACS Nano, 2024.论文链接：
https://doi.org/10.1021/acsnano.4c15723