近日，我院海洋微纳机电团队在国际期刊《Desalination》（IF9.9，新锐一区TOP期刊）上发表题为“pH-temperature coupled osmotic energy conversion in nanochannels with different axial polyelectrolyte brush patterns”的研究论文（见图1）。该论文围绕纳米通道渗透能转换中接枝结构调控机制不清、多场耦合作用规律尚不明确等问题，构建了聚电解质刷修饰纳米通道的多物理场耦合模型，系统研究了不同轴向接枝模式、溶液 pH 和温度场对离子传输与能量转换性能的影响。

论文建立了二维轴对称纳米通道模型，并耦合电势分布、离子传输、流体流动和热传递过程，同时引入聚电解质刷中羧基和氨基的质子化/去质子化反应，用于描述 pH 和温度对刷层电荷密度的调控作用。研究设计了五种典型轴向聚电解质刷接枝模式，包括出口富集型、入口富集型、均匀型、两端富集型和中心富集型（见图2），并在平均接枝密度一致的条件下，对比分析其离子选择性、扩散电压、渗透电流和最大输出功率。

研究结果表明，在 pH = 7、298 K 且无温差的基础条件下，出口富集型接枝模式表现出最优渗透能转换性能。这是因为低浓度出口侧具有更强的双电层调控作用，在该区域富集聚电解质刷有利于维持阳离子选择性并提升输出功率。随着 pH 升高，聚电解质刷去质子化程度增强，刷层负电荷密度增加，从而促进阳离子选择性传输；温度升高则可进一步提高离子迁移能力，并增强刷层电荷响应。

在 pH-温度耦合调控条件下，最优接枝模式发生转变。结果显示，在 50 倍浓度梯度、pH = 11 和整体升温 40 K 条件下，均匀接枝模式表现出最高能量转换性能，最大输出功率达到 6.81 pW（见图3）。该结果说明，纳米通道的最优接枝结构并非固定不变，而是与外部 pH、温度和浓度梯度条件密切相关。

总体来看，该论文揭示了轴向聚电解质刷接枝模式、pH 响应和温度调控之间的协同作用机制，为响应型纳米通道结构设计、多物理场优化以及渗透能转换性能提升提供了理论参考。

本研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金和海南省科技专项等项目资助。海南大学为论文第一单位，2024级硕士研究生宋鹏博为论文第一作者，周腾教授为论文通讯作者。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.desal.2026.120447

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图2 聚电解质刷修饰纳米通道模型及五种轴向接枝模式

图3 pH-温度耦合调控下不同接枝模式的输出功率对比

一审：颜子钦

二审：汝绍锋

三审：张喜瑞