エネルギー収集効率を高める新しい膜設計を開発(Researchers Develop Novel Membrane Design for Efficient Energy Harvesting)

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2025-04-07 中国科学院(CAS)

中国科学院青島生物エネルギー・プロセス技術研究所の研究チームは、エネルギー収集効率を向上させる新しい膜設計を発表しました。この膜は、大腸菌のClC-ec1アンチポーターを模倣し、共有結合性有機骨格(COF)とアラミドナノファイバー(ANF)を組み合わせて作製されています。この複合膜は、強固な水素結合ネットワークを形成し、アミド基が塩化物イオン(Cl⁻)を選択的に結合することで、プロトン伝導のエネルギー障壁を低減します。酸性環境下で0.1%のCl⁻を添加すると、プロトン透過率が3倍に向上し、9.8 mol m⁻² h⁻¹に達しました。この膜は、酸性廃水からのエネルギー回収において、434.8 W m⁻²の出力電力密度を実現し、高い構造安定性も示しています。この研究成果は、2025年4月7日に『Journal of the American Chemical Society』に掲載されました。

<関連情報>

生物に着想を得た塩化物支援タンパク質チャネル:酸性廃水からの持続可能なエネルギー採取のためのプロトン輸送の強化 Bioinspired Chloride-Assisted Protein Channels: Enhancing Proton Transport for Sustainable Energy Harvesting from Acidic Wastewater

Wenxiu Jiang,Xuan Ding,Zihao Huang,Xiaochen Feng,Meiling Wang,Xinyue Zhang,Shuyu Ying,Huanting Wang,Jun Gao,Ying Zhu,and Lei Jiang

Journal of the American Chemical Society  Published: April 1, 2025

DOI:https://doi.org/10.1021/jacs.4c18730

Abstract

エネルギー収集効率を高める新しい膜設計を開発(Researchers Develop Novel Membrane Design for Efficient Energy Harvesting)

Highly efficient proton transfer in biological processes has driven the pursuit of synthetic analogs; however, replicating high proton permeance in natural systems remains a significant challenge. Herein, inspired by the function of the ClC-ec1 protein, we report the design of Cl-assisted proton transport channels within a hybrid membrane composed of covalent organic frameworks (COFs) integrated with aramid nanofibers (ANFs). By leveraging buffer layer-mediated interfacial polymerization and the flocculation behavior of ANF in aqueous environments, we establish robust hydrogen-bonding interactions between COFs and ANFs. The hydride material enables Cl binding, significantly accelerating proton transport in a manner similar to that of the ClC-ec1 protein channel. In the presence of a small concentration of Cl ions (0.1% of the proton concentration), the proton permeation rate is enhanced approximately by 3 times, reaching 9.8 mol m–2 h–2. Notably, the membrane facilitates sustainable osmotic power generation from acidic wastewater, delivering an output power density of 434.8 W m–2. Theoretical calculations revealed that ANF preferentially binds Cl, promoting proton hopping and lowering the energy barrier for proton transport. This study establishes a new paradigm for bioinspired ion-assisted proton transport, presenting an approach for sustainable energy harvesting from acidic wastewater.

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