仿生蛋白通道！新型薄膜技術讓廢酸發電效率飆升

中國科學院青島生物能源與過程研究所的研究團隊，近期開發出一款突破性的仿生薄膜，能模擬生物蛋白通道的質子傳導機制，大幅提升能源轉換效率。這項研究成果已刊登於《美國化學會期刊》。

質子傳導是許多生物過程與能源轉換的關鍵機制。研究團隊從大腸桿菌中的ClC-ec1反向轉運蛋白獲取靈感，開發出由共價有機框架(COFs)與芳綸奈米纖維(ANFs)複合而成的混合薄膜。這種ANF/COF複合材料能形成穩定的氫鍵網路，其醯胺基團可選擇性結合氯離子(Cl⁻)，顯著降低質子傳導的能障。

實驗資料顯示，在酸性環境中，僅需新增0.1%的Cl⁻離子(相對於質子濃度)，就能使薄膜的質子滲透率提升三倍，達到9.8 mol m⁻² h⁻¹。值得注意的是，其他陰離子如硝酸根(NO₃⁻)或硫酸根(SO₄²⁻)並未產生類似效果，凸顯了Cl⁻的獨特作用。

透過光譜分析與密度泛函理論計算證實，Cl⁻的結合會拉伸ANF鏈條，最佳化氫鍵網路，從而促進H⁺離子的高效遷移。這項機制在實際應用中表現亮眼：在模擬酸性廢水環境下，ANF/COF薄膜的輸出功率密度達到434.8 W m⁻²，創下滲透能發電領域的新紀錄。

更令人驚豔的是，該薄膜在強酸環境中連續運轉150小時(約9,000分鐘)後，仍保持優異的結構穩定性。共同通訊作者、北京大學朱穎教授表示：「這項研究證明仿生技術能有效解決環境與能源難題。我們的薄膜不僅提升質子傳導效率，更為工業廢酸發電開闢新途徑。」

這項研究開創了Cl⁻輔助質子傳導的新模式，為下一代能源與環保薄膜技術提供重要參考。

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