“物竞天择,适者生存”,经过长期的进化与选择,自然界中的生命体已经拥有了无与伦比的多级功能结构,以最为高效、灵活的方式完成了物质交换、信息传递和能量转换等复杂多样的生命活动过程,实现了不同的机能。我们在感叹其精妙的同时也在不断学习自然的智慧,从中寻找能够为己所用的灵感。例如,科研人员受荷叶的启发,开发了同样能够“出淤泥而不染”的自清洁表面;受大熊猫牙釉质的启发,构筑了能够自修复的纳米复合材料;受蜻蜓翅痣的启发,优化了能够抗震的飞机机翼平衡重锤结构。“师法自然”已经成为了我们构筑先进高性能材料和器件的最有效途径之一。有鉴于此,近些年来,科研人员受到生命体细胞膜上蛋白质离子通道精确控制离子跨膜传输实现多样功能的启发,开展了关于仿生人工纳米孔道的系列研究,取得了初步的成果,实现了对限域空间内离子运动的智能调控。但是,随着研究的深入,科研人员发现均质纳米孔道体系单一的结构组成限制了其对离子输运的调控效果,若要在均质膜内构筑多级孔道结构则需要高昂的加工成本和繁琐的制备工艺,限制了其实际应用,因此开发新型制备工艺简单、高稳定性的多功能复合异质离子传输膜体系势在必行。综合考虑上述的研究背景,本论文致力于制备高性能纳米多孔异质膜,并研究其独特的离子传输性质,开发其在能量转换领域的应用。主要内容如下:从分子设计的角度出发,基于对聚合物分子结构-性能关系的理解,受到生命体离子通道和前人工作的启发,我们以化学稳定性较高的聚芳醚体系为疏水主链骨架,采取化学修饰的方法引入了一定量的亲水侧链,利用主链和侧链的亲疏水差异,使聚合物通过亲疏水作用自组装发生相分离,形成能够大规模制备的高强度三维纳米孔道薄膜。并以此为基础构建了一系列多孔异质膜,研究了其跨膜离子输运性质,并将其应用于盐差能发电器件中,取得了理想的效果。首先,我们通过Suzuki交叉偶联,利用4-吡啶基硼酸制备了含有吡啶基团的对苯二酚单体Py-OH。通过其与联苯二酚和二氟二苯砜等单体进行共聚,成功将吡啶这一具有pH响应特性的功能基团引入了联苯聚芳醚砜(PPSU)中,通过控制聚合时的单体投料比例,制备了不同吡啶基团含量的系列共聚物PPSU-Pyx。并利用该系列聚合物和氧化石墨烯(GO)通过简单的抽滤、旋涂的方法,构建了2D/3D-GO/Py纳米多孔异质膜。GO形成了带有负电荷的孔径约0.8 nm的二维纳米孔道;Py层基于亲疏水作用自组装形成了带有正电荷的孔径约8 nm的三维互穿纳米孔道。两种孔道表面电荷与孔道限域结构的双重不对称性使这类多孔异质膜展现出了优异的离子整流效果。孔道表面的吡啶基团对环境的pH比较敏感,在酸性环境中,孔道内壁带正电荷并更加亲水;而在碱性环境中则不带电且疏水。这种电荷和浸润性的协同作用使该纳米孔道拥有了优异的pH响应离子门控效果。我们通过对电荷密度、孔道长度等关键因素的控制可以调控异质膜的跨膜离子传输效果,此外,我们还基于该系列膜构建了纳米盐差发电能量转换器件,得到了约0.76 W/m~2的输出功率。在以上工作的基础上,为了得到更高输出功率的盐差发电器件,我们优化了异质膜结构和孔道内壁的电荷密度,制备了更大孔径和孔隙率的多孔异质膜,在保证离子输运性质的同时提高了离子通量,最终得到了较高的输出功率。首先,我们通过威廉姆森成醚反应成功制备了具有高密度磺化位点的六苯基苯基团的DF-HS单体,然后用此单体与二氟二苯甲酮和六氟双酚A进行三元共聚反应,通过控制单体比例,制得了一系列带有不同比例磺化侧链的聚芳醚酮共聚物(PAEK-HS10,PAEK-HS15和PAEK-HS20)。并利用该系列聚合物与上述制得的吡啶聚醚砜(PPSU-Pyx)复合,通过聚芳醚亲疏水自组装的方法成功制备了一系列Janus多孔膜。基于该系列Janus多孔膜,构建了高性能的盐差发电系统,并在我们的工作中提出了一种新的观点:为了避免单层膜中的离子极化现象,我们将离子整流性质集成到能量转换系统中。具有整流效应的Janus膜可以作为从海水到河流的“离子高速公路”,显著提高盐差发电效率。由于海水浓度较高,为了保证系统能有较高的能量转换效率,需要使Janus多孔膜器件在高盐浓度环境中依然保持较好的离子整流和选择效果。本文通过提高表面电荷和孔隙率,有效工作浓度区域(最大整流比出现在1 M KCl)较以往文献报道的结果提高了至少一个数量级,打破了以往器件只能在低浓度工作的局限。该系列Janus多孔复合膜在高盐浓度溶液中的高效离子选择性和离子整流特性确保了盐差发电器件的能量转换效率和高功率密度。器件的输出功率高达2.66 W/m~2(通过混合海水和河水,效率为35.7%)和5.10 W/m~2(盐度梯度为500倍)。此外,本文所制备的Janus多孔异质膜主要是基于聚芳醚类高性能聚合物骨架功能化改性的薄膜材料,通过化学分子设计,在实现所预期的离子传输功能的同时也保持了较高的机械性能,为以后的实际应用奠定了基础。我们大胆的推测,带有离子整流效应的纳米孔道膜在收集盐差能方面具有巨大潜力。综上所述,通过合理的分子设计,我们实现了对孔道的尺寸、孔隙率、表面电荷密度以及浸润性等关键因素的控制。并通过孔道限域结构、电荷密度和浸润性的协同作用,实现了孔道离子选择性、离子门控性和离子整流性的有效调控,从而得到了较为理想的离子传输效果。还以此为基础,首次成功制备了聚芳醚体系的高效盐差发电器件。希望我们的工作可以拓宽功能化特种高分子的应用前景,能为今后设计和制备新型、高效的可持续清洁能源器件奠定基础。