当海水与淡水相遇，盐分浓度差中蕴藏的能量便有机会转化为电能，这种可再生能源被称为“蓝色能源”。其中，反向电渗析技术依靠离子选择性膜，让带电离子有序迁移，实现持续发电。然而，离子传得快，膜往往不够结实；膜做得坚固，又容易牺牲传输效率。尤其在真实水环境中，反复形变、复杂盐离子和长时间浸泡，都可能让膜破损、溶胀或性能衰减。如何把高效传输、机械强度与损伤后自修复集于一身，始终是盐差能利用面临的关键挑战。特别是当盐度不断波动时，膜两侧容易形成局部离子堆积，进一步削弱实际可利用的浓度梯度。

近日，复旦大学孔彪研究员联合中国科学院理化技术研究所江雷院士受生物离子通道启发，构筑了兼具超高韧性与自修复能力的水凝胶离子通道（HICs）。这种含水量超过60%的膜，既能保持高效、选择性的离子传输，又能承受拉伸与穿刺损伤。在0.5 M/0.01 M NaCl标准盐差条件下，其峰值功率密度达到48.57 W m⁻²；在天然海水条件下最高达到54.62 W m⁻²，并成功驱动无需外接电池的环境监测装置。研究不仅追求瞬时高功率，更强调材料在受损、变形和复杂水质条件下持续工作的能力。相关成果以“Robust hydrogel ion channels for osmotic energy harvesting and environmental sensing”为题发表在《Nature Sustainability》上，Kesong Chai为第一作者。

研究首先从材料设计入手。普通水凝胶虽然富含水分、方便离子移动，却常因内部网络松散而容易损坏。研究人员将丙烯酸（AA）、含磺酸基单体AMPS、含磷酸基交联剂BMEP与长链聚苯乙烯磺酸钠（PSS），引入离子溶剂NS与水的混合体系，再通过紫外光引发聚合，制得可独立使用的水凝胶膜（图1a）。这张膜并不是单纯靠“硬”来抗拉，而是让不同分子作用共同承担外力：交联网络提供弹性，PSS分子链相互缠绕分散应力，氢键和静电作用则可以在受力时断开、重组。因此，膜被弯曲、拉伸甚至破坏后，仍有机会重新连接内部网络（图1b）。这些可逆作用就像内部的“缓冲器”，使应力不会集中在单一位置，而修复过程也不必依赖外部加热或额外化学处理。让材料在承受形变的同时保留离子通道，是这一设计的核心。

图1：超韧自修复水凝胶离子通道的设计及工作原理

那么，这张柔软的膜究竟有多结实？研究人员通过分子模拟发现，AMPS与NS之间存在强相互作用，为网络稳定提供了分子基础（图2a、b）。力学测试进一步给出直观答案：HICs的拉伸强度达到6.18 MPa，断裂伸长率达到545%，拉伸韧性达到14.57 MJ m⁻³。即便发生断裂，膜也能在约60秒内自发修复，修复后的断裂强度仍超过4 MPa（图2c）。除了拉得长，它还能“回得来”。在不同压应力下，水凝胶表现出快速的蠕变恢复能力；多次拉伸后，结构仍能恢复（图2d、e）。与此同时，材料中的磺酸基、羧基等带负电基团赋予通道较强的负表面电势，有助于筛选阳离子（图2f）。X射线衍射和低场核磁共振结果则表明，无定形高分子网络与受限水分子共同稳定了内部结构，使膜兼具抗溶胀、强韧和自修复特征（图2g–i）。与只强调某一项指标的传统水凝胶相比，这种多重相互作用网络使强度与恢复能力不再简单地此消彼长。

图2：HICs的制备、结构表征与力学性能

强度解决了“能不能长期用”的问题，接下来还要看离子是否真正跑得快、走得准。团队搭建双室电化学测试装置，在膜两侧加入电解液，研究离子的跨膜运动（图3a）。组分对比说明，NS有利于维持网络强度，水能调节离子间相互作用，而AMPS和PSS提供的固定负电荷则为阳离子创造了优先通行的路径（图3b）。测试发现，HICs的电流与电压呈良好线性关系；在低盐浓度下，表面电荷效应尤其明显，膜的ζ电位达到−56.92 mV（图3c、d）。当KCl两侧浓度相差1000倍时，膜产生203 mV的开路电压、20.7 μA的短路电流，阳离子迁移数高达0.99，接近理想选择性通道（图3f）。更重要的是，拉伸、穿刺修复后，离子传输能力仍可基本恢复，重复电压切换也表现稳定（图3e、g）。尽管离子在交联凝胶中的扩散速度低于纯水，但高密度固定电荷使其能够在选择性与实际传输之间取得平衡。

图3：HICs的离子传输行为与选择性

具备良好选择性之后，盐差就能真正变成电能。如图4a所示，海水与淡水分别置于膜两侧，阳离子倾向于从高浓度一侧穿过膜，而阴离子受到阻挡；配合电极反应，外部电路便能够形成持续电流。通过优化材料配比，研究人员同时调控了通道电荷密度、含水状态和内部网络结构（图4b）。在标准50倍NaCl浓度梯度下，HICs实现48.57 W m⁻²的峰值功率密度。拉伸时其输出仍可保持较高水平，卸载后接近初始状态；穿刺修复后，功率损失约9%（图4c、d）。进一步提高盐度差，功率随之增强，在5 M/0.01 M NaCl条件下可达到305.93 W m⁻²（图4e、f）。连续100小时测试中，输出波动保持在±5%以内；与已有多种离子选择性膜相比，它在较大膜厚条件下仍展现出突出的发电性能（图4g、h）。这里的功率密度对应膜的有效面积，反映的是特定浓度差和测试条件下的单位面积输出，而非整个装置的总发电量。

图4：HICs的盐差能转换性能

实验室里的高性能，还需要经受真实水质的考验。团队将多级HIC盐差发电单元串联，并与电子模块结合，实现稳定约5 V电压输出，驱动温湿度及空气质量监测设备运行（图5a）。这意味着盐差发电不仅能提供能量，还能直接服务于无需外接电池的环境感知系统。面对不同盐类和多价离子，HICs仍表现出较好的电能转换能力（图5b）。阴离子实验进一步揭示，水合特性与通道静电排斥会共同影响筛选效果（图5c、d）。值得关注的是，其功率输出可随溶液pH变化，在碱性条件下进一步提升；同时，电流与pH在1至14范围内具有可用于检测的拟合关系（图5e、f）。在渤海、黄海、东海和南海的天然海水测试中，膜均表现出稳定输出，连续运行100小时仍保持良好表现（图5g）。这些实验说明，它并不局限于理想化的单一氯化钠溶液，面对真实海水中复杂的离子组成仍有一定适应能力。

图5：复杂水环境中的盐差发电与自供能环境监测

为什么这种材料能做到“又强又会导离子”？为回答这一问题，团队进一步结合分子动力学、密度泛函理论与离子传输模型，追踪从分子相互作用到纳米孔道的变化（图6a、b）。模拟显示，交联后更稳定的带电网络可吸引K⁺等阳离子，同时排斥阴离子；AMPS上的磺酸基在这一过程中发挥了重要作用（图6c–e）。更有意思的是，通道不是越大越好，而是需要在孔径、表面电荷和离子扩散之间找到平衡。模型显示，水凝胶内部存在埃尺度的离子可通行区域；改变NS含量会调节孔径分布（图6f）。随后对电荷密度、孔径、孔长及浓度梯度的分析发现，过大的孔道会削弱选择性，而过强的盐差又会使扩散效应占据主导（图6g–p）。在模拟的50倍盐差下，扩散电位接近理想阳离子选择性膜的理论极限，从计算层面呼应了实验中的高离子选择性。这些结果解释了高效离子运输的来源，也为下一代仿生离子膜提供了可量化的设计依据。

图6：HICs的分子相互作用与离子传输机制模拟

小结

总体而言，这项工作将高功率盐差发电、优异机械性能、自修复能力与环境传感整合到同一水凝胶平台，为蓝色能源从实验室走向复杂水环境提供了新思路。研究团队也指出，膜面积放大后，单位面积功率可能下降，未来仍需验证工业尺度下的稳定性与实际效益。但从可持续供能到自主环境监测，这种能够“受伤后继续工作”的离子通道，已经展示出值得期待的应用前景。