Massively Enhanced Charge Selectivity, Ion Transport, and Osmotic Energy Conversion by Antiswelling Nanoconfined Hydrogels

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作者
Yi-Chuan Lin,Hong-Hsu Chen,Chien‐Wei Chu,Li‐Hsien Yeh
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:24 (37): 11756-11762 被引量:33
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.4c03836
摘要

Developing a nanofluidic membrane with simultaneously enhanced ion selectivity and permeability for high-performance osmotic energy conversion has largely been unexplored. Here, we tackle this issue by the confinement of highly space-charged hydrogels within an orderedly aligned nanochannel array membrane. The nanoconfinement effect endows the hydrogel-based membrane with excellent antiswelling property. Furthermore, experimental and simulation results demonstrate that such a nanoconfined hydrogel membrane exhibits massively enhanced cation selectivity and ion transport properties. Consequently, an amazingly high power density up to ∼52.1 W/m2 with an unprecedented energy conversion efficiency of 37.5% can be reached by mixing simulated salt-lake water (5 M NaCl) and river water (0.01 M NaCl). Both efficiency indexes surpass those of most of the state-of-the-art nanofluidic membranes. This work offers insights into the design of highly ion-selective membranes to achieve ultrafast ion transport and high-performance osmotic energy harvesting.
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