纳米限域离子输运是自然界生命活动和人造能源器件中的核心过程之一，经典离子输运理论难以捕捉其复杂的界面-尺度-结构效应。本文聚焦纳米限域离子输运现象，探讨其普适性原理、创新性理论与变革性应用。
导 读
纳米限域离子输运是能量转换与储存过程的重要环节，受到界面-尺度-结构效应的显著影响。本文从经典离子输运理论的局限性出发探讨离子束缚迁移的底层机理，聚焦刻画纳米限域离子输运特征的理论更迭与创新发展，并阐述基于离子载能子的变革性应用，以期为学者提供纳米限域离子输运研究与应用的新思路。
图1 图文摘要
纳米限域离子输运的基本原理
纳米限域离子输运是实现自然界能量和物质传递的重要过程，可选择性地对特定离子实现快速和定向输运，不满足经典离子输运理论的连续性假设。在过渡态理论框架下，浓度梯度或电势梯度驱动的跨纳米通道离子输运是多个基元步骤的连续接力过程，单种离子的总能垒数值决定其输运通量，不同离子之间的总能垒差异则决定离子选择性。而从原子尺度视角来看，决定纳米通道离子输运能垒的普适性机理主要包括通道入口的空间位阻效应、介电效应和静电作用，以及通道内部的摩擦效应和粘性效应。改变离子组成、通道特性和运行工况可调控离子输运机理在局部区域的主导性，从而满足不同应用场景对离子输运特性的需求。
纳米限域离子输运的理论创新
将视角从单个离子转移到众多离子的集体行为后，纳米限域环境中的离子赋存状态与输运性质通常可用双电层理论进行描述。然而，传统双电层理论仍不足以解释非均匀温度引起的离子热扩散现象，无法刻画局部理化行为引起的水合离子界面效应与各向异性传输性能。因此，纳米限域离子输运理论尚不完整，仍需发展综合多种机理的创新理论以解码离子输运行为的构效关系。作为一个初步尝试，已有学者提出界面绑绳理论来解释纳米限域离子输运机制，并将原子尺度相互作用与离子空间构型及其动力学性能进行关联。该理论的有效性得到了第一性原理计算与实验表征技术的证实，可用于指导离子浓度布局、水溶液酸碱度控制以及器件工作温度等实验条件的优化设计，进而提升选择性离子输运性能。
纳米限域离子输运的应用变革
相比于电子，离子具有可调整的电价、尺寸与溶剂化能力，因而将纳米限域离子输运的机理与特性用于开发变革性能源器件具备独特优势。例如，浓度梯度驱动的离子输运可用于从海水、盐湖和含盐废水中收集渗透能，满足海岛与高原地区的电能供给需求；温度梯度驱动的离子输运可回收利用太阳能和工业生产的低品位余热，实现多能源耦合的离子热电发电；对纳米通道的理化性质进行高精度设计可在不同尺寸和价态离子之间产生选择性，进而从工业废水中提取高价值金属离子。以渗透能量转换为例，其核心过程是纳米多孔膜内的多物理场多尺度热质传输。当前研究侧重于从物质科学角度开发兼具高选择性和高离子通量的膜材料，仍需要从工程热物理视角明确离子物质流和能量流匹配的科学准则，探索多种主动与被动调控策略，最终实现功率密度、能量转换效率、稳定性、便携性和耐久性兼顾的渗透发电技术。
总结与展望
未来的纳米限域离子输运研究还需开发规模化的合成手段与高分辨率的表征工具，完善纳米限域热质传输理论体系，发展完备的预测模型，从而剖析固液界面的更多独特现象，定量化各种原子尺度机理的主导性，以及捕捉离子输运行为的动态特征。此外，还需在能源科学、材料科学、物理化学和工程技术等之间进行跨学科合作与前瞻性思考，从第一性原理计算、分子模拟、机器学习、实验表征和系统集成等视角开展探索，最终推动离子载能子相关技术的发展。
责任编辑
黄义 华中师范大学
董雷 西北工业大学
本文内容来自The Innovation 姊妹刊The Innovation Energy 第2卷第1期发表的Editorial文章“Nanoconfined ion transport: Common foundations driving innovative theories and transformative applications” (投稿: 2024-12-08；接收: 2025-01-08；在线刊出:2025-01-11)。
DOI：10.59717/j.xinn-energy.2024.100075
引用格式：Wang Q. and Qu Z. (2025). Nanoconfined ion transport: Common foundations driving innovative theories and transformative applications. The Innovation Energy 2: 100075.
作者简介
屈治国 国家杰出青年基金获得者，西安交通大学热流科学与工程系主任，陕西省氢燃料电池性能提升协同创新中心主任，国家重点研发计划项目“氢能专项”指南专家组成员，教授，博导。获陕西省自然科学一等奖（排名第1）、国家科技进步一等奖（创新团队，排名第6）、国家科技进步二等奖（排名第2）、国家技术发明二等奖（排名第3）等奖励。发表SCI论文329篇，论文引用万余次，H因子61；以第一作者出版《氢燃料电池多物理过程建模与仿真》；授权发明专利80余项（美国专利5项），作为首席科学家主持国家重点研发计划项目、国家自然科学基金等项目七十余项。
个人主页：http://gr.xjtu.edu.cn/web/zgqu/
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