本课题组硕士研究生舒悦、袁开宇、向忠润三人联合研究在国际著名期刊《先进材料》（Advanced Materials， IF~28）发表了一项突破性研究成果。通过对甲壳素(020)晶面定向进攻并结合机械分散得到甲壳素亚纳米片(厚度约 0.7 nm,粒径50-100 nm),并将其应用在蓝色能源收集上,在50倍的盐差下得到超高的输出功率密度12.95 W/m², 超越所有现有基于生物质的纳米流体膜（最高2.87 W/m²）和商业基准（5.0 W/m²）。此外，膜优异的离子管理能力促进了在实时纳米流体传感上的应用，如对水母养殖环境的监测。该研究提出了一种开发高性能、带正电荷纳米流体膜的经济有效策略，这些膜具有出色的能量收集和传感能力，为先进能源和传感技术奠定了基础。感谢安徽农业大学叶冬冬教授联合指导。本研究得到了国家自然科学基金项目以及安徽省优秀青年基金项目等项目的共同资助。

论文网址:  https://doi.org/10.1002/adma.202510095

1. 甲壳素亚纳米片的制备以及在离子传输上的理论预测

为解决二维纳米片组装的纳米膜存在的结构局限性，如离子迁移路径曲折度高和离子传输通道不足等问题，研究人员通常采用二维纳米片的几何调控策略来提升性能。通过分子动力学模拟发现,减少纳米片的厚度以及尺寸,可以显著提高纳米流体膜的离子选择性和离子通量。在模拟9 ns后，在小而薄纳米片系统中，其离子选择性可达0.93，比大而厚纳米片系统的离子选择性提高了近0.58倍。此外,在相同的模拟条件下，薄纳米片系统的总离子通量也几乎是厚纳米片系统的4.8倍。分子动力学模拟证实，优化纳米片的直径和厚度可显著改善离子传输性能。基于此,团队首次利用具有Bouligand 结构的甲壳素材料开发了一种创新的纯化和剥离工艺，以制备甲壳素亚纳米片（CSs）。CSs具有均匀的厚度0.7 nm，横向尺寸在50至100 nm之间。

图1. 纳米片尺寸对离子传输的理论模拟及甲壳素亚纳米片（CSs）的制备

2. 甲壳素亚纳米片的剥落机制与纳米流体膜的构建

我们对甲壳素的晶体结构进行了模拟，并计算了其结构转变所需的能量。结果表明，甲壳素（020）晶面剥离能垒（32 kJ/mol）显著低于（110）晶面（115 kJ/mol）和一维结构剥离（133 kJ/mol）,表明（020）晶面更容易被破坏。基于此,我们提出乙酸定向攻击（020）晶面结合高剪切力的创新方法，成功制备甲壳素亚纳米片（CSs）。XRD分析显示，随酸处理时间增加，（020）晶面峰强度减弱而其他峰不变，证实其选择性剥离。酸处理9小时后，获得厚度0.7 nm、粒径约50 nm的单层CSs，且粒径尺寸稳定,表明对其他晶面干扰极小。Zeta电位升高显示氨基暴露增强，赋予CSs优异分散性。通过真空过滤制得1.5 μm超薄透明CSs膜，具层状结构，拉伸强度达81.3 MPa，优于MXene等传统二维材料。该方法为高质量CSs规模化制备及功能应用提供了高效精准的途径。

图2. 定向剥离机制与纳米流体膜的制备

3. CSs膜的离子传输特性

我们对比了CNs膜和CSs膜的离子传输性能。CNs膜因纳米片较大尺寸（~50 μm）和厚度（~150 nm）导致离子传输路径受限，离子通量较低；而CSs膜通过紧密堆叠形成垂直纳米通道和水平间隙，显著降低传输阻力，提升渗透性。电化学测试显示，在相同条件下，CSs膜120分钟的累积离子通量是CNs膜的1.53倍，选择性提高1.14倍。I-V曲线显示CSs膜呈线性欧姆响应，其离子电导率比CNs膜高20%（10⁻⁵ M KCl）。在模拟河水/海水浓度梯度（0.01 M/0.5 M KCl）下，CSs膜输出功率密度达8.31 W/m²，远超CNs膜（2.43 W/m²）及传统生物质膜。其性能随浓度梯度增强而提升，在300倍梯度下高达20.82 W/m²。此外，CSs膜的输出功率密度与阴离子类型相关，遵循Hofmeister序列，在50倍KBr浓差下,达12.95 W/m²，是商业标准的2.59倍。通过对比性能与成本，CSs膜以极低成本实现了超越功能化二维材料的输出功率密度，兼具生物质材料的低成本与高性能优势，展现出广阔应用前景。

图3. CSs膜的离子传输性能评估

4. CSs膜在海水水生环境中的离子传感应用

最后团队开发了一种基于CSs膜的新型海水监测系统，用于水母培养中的实时水质检测。水母对生长环境盐度要求极高，为此设计了一套集成水母培养与监测系统, CSs膜为核心组件,该膜形成一个双溶液系统，位于水母栖息溶液与标准培养溶液之间。通过检测离子梯度变化转化为电压信号，实现无线远程监测。该系统兼具高灵敏度、稳定性和可调性,可拓展至海洋生物养殖、活鱼运输以及植物水培等多样化应用中进行严格的实时水质监测。 该技术有望为海洋生态保护、海洋生物产业和植物栽培的发展提供有力支持，在这些关键领域做出重要贡献。

图4. 离子传感系统的构建与应用