近日，国际权威学术期刊Advanced Materials在线发表了我院富庆飞教授在空间站废水能源化领域的最新研究成果“Flexible Osmotic Energy Batteries Enabled by Stacked Bicontinuous-Network Hydrogels”。宇航学院博士生石靖岩为第一作者，富庆飞教授为通讯作者，宇航学院为唯一单位。
在长期载人航天与深空探测任务中，资源循环利用和能源持续供给是保障航天器长期稳定运行的关键。空间站产生的废水和生活废液中含有丰富离子，不同流体之间形成的浓度梯度蕴藏着可回收的化学势能。若能利用纳米尺度离子流动，将这种离子梯度能直接转化为电能，便可在不显著增加系统负荷的条件下，实现废弃资源的能源化利用，为空间能源自供给提供新的技术路径。
离子梯度能转换的核心在于纳米通道内离子的选择性流动机理。当高、低浓度溶液分置于膜两侧时，化学势差驱动离子进入纳米通道，通道表面的固定电荷通过静电作用富集反离子、排斥同离子，形成具有离子选择性的双电层。随着通道尺寸接近双电层特征尺度，离子限域、界面摩擦、水合结构及电荷分布共同调控离子的迁移速率，使阳、阴离子产生不对称定向流动，进而形成跨膜扩散电位与持续离子电流，实现离子浓度梯度能向电能的直接转换。因此，构筑连续、低阻且高度选择性的纳米流动通道，是提高能量转换效率和输出功率的关键。
然而，传统膜材料在水环境中易发生结构溶胀，导致纳米通道扩张、固定电荷密度降低及双电层重叠减弱，进而增加非选择性离子传输。针对这一问题，研究团队构筑了亲水离子通道与疏水支撑骨架相互贯通的双连续网络：连续亲水相形成富含固定电荷的低阻传输通道，促进反离子富集与定向迁移；疏水相则限制通道溶胀并维持纳米限域效应，抑制同离子非选择性传输，从而协同提升离子选择性、传输通量与结构稳定性。
图 基于双连续网络水凝胶的渗透能电池设计及柔性器件展示
基于该水凝胶膜，研究团队进一步设计了可弯曲、可堆叠的柔性渗透能电池，实现盐度梯度能向电能的高效转换，为空间站废水能源化利用以及柔性传感器、可穿戴生命体征监测设备的持续供能提供了新的材料与器件基础。
文章链接：
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.74906
