Thiết kế màng mới mô phỏng các kênh protein để thu năng lượng hiệu quả
Tác giả: Li Yali, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc
Tóm tắt đồ họa. Nguồn: Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ (2025). DOI: 10.1021/jacs.4c18730
Một nhóm nghiên cứu từ Viện Công nghệ Năng lượng sinh học và Quy trình sinh học Thanh Đảo thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, cùng với các cộng sự, đã giới thiệu một thiết kế màng mới mô phỏng các kênh protein sinh học để tăng cường vận chuyển proton để thu năng lượng hiệu quả. Nghiên cứu đã được công bố trên Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ.
Vận chuyển proton là nền tảng cho nhiều quá trình sinh học và phương pháp chuyển đổi năng lượng. Lấy cảm hứng từ chất chống vận chuyển ClC-ec1 được tìm thấy trong Escherichia coli, chất này tạo điều kiện cho sự di chuyển của clorua (Cl-) và proton, các nhà nghiên cứu đã phát triển một màng lai bao gồm các khung hữu cơ cộng hóa trị (COF) tích hợp với các sợi nano aramid (ANF).
Hợp chất ANF/COF này tạo thành mạng lưới liên kết hydro mạnh mẽ và có các nhóm amide liên kết chọn lọc với các ion Cl-, làm giảm đáng kể rào cản năng lượng cho quá trình dẫn proton.
Trong môi trường có tính axit, chỉ cần thêm 0,1% ion Cl- (so với proton) sẽ làm tăng tốc độ thẩm thấu proton của màng gấp ba lần, đạt 9,8 mol m-2 h-1. Sự cải thiện này không được quan sát thấy ở các anion khác như NO3- hoặc SO42-, nhấn mạnh vai trò độc đáo của Cl-.
Cơ chế nhảy proton của hệ thống, được xác thực thông qua phép tính quang phổ và lý thuyết hàm mật độ (DFT), chứng minh rằng liên kết Cl- kéo dài chuỗi ANF, cải thiện mạng lưới liên kết hydro và cho phép di chuyển hiệu quả các ion H+.
Quan trọng là hiệu suất của màng được chuyển thành các ứng dụng trong thế giới thực. Trong điều kiện nước thải có tính axit mô phỏng, màng ANF/COF đạt được mật độ công suất đầu ra là 434,8 W m-2—một trong những mật độ cao nhất được báo cáo cho đến nay về khả năng tạo ra năng lượng thẩm thấu. Nó cũng cho thấy sự ổn định về mặt cấu trúc trong hơn 9.000 phút (~150 giờ) hoạt động trong môi trường có tính axit cao.
"Công trình này minh họa cách mô phỏng thiên nhiên có thể giải quyết các thách thức thực sự về môi trường và năng lượng", đồng tác giả Giáo sư Zhu Ying từ Đại học Beihang cho biết. "Màng của chúng tôi không chỉ nâng cao hiệu quả vận chuyển proton mà còn mở ra cánh cửa chuyển đổi axit thải công nghiệp thành điện".
Nghiên cứu này nêu bật một mô hình vận chuyển proton hỗ trợ Cl- mới, cung cấp bản thiết kế cho các màng thế hệ tiếp theo trong các ứng dụng năng lượng và môi trường.
