Bioinspired Chloride-Assisted Protein Channels: Enhancing Proton Transport for Sustainable Energy Harvesting from Acidic Wastewater

化学 废水 氯化物 质子 环境化学 化学工程 有机化学 废物管理 量子力学 物理 工程类
作者
Wenxiu Jiang,Xuan Ding,Zihao Huang,Xiao-Chen Feng,Meiling Wang,Xinyue Zhang,Shenpeng Ying,Huanting Wang,Jun Gao,Ying Zhu,Lei Jiang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (15): 12604-12613 被引量:8
标识
DOI:10.1021/jacs.4c18730
摘要

Highly efficient proton transfer in biological processes has driven the pursuit of synthetic analogs; however, replicating high proton permeance in natural systems remains a significant challenge. Herein, inspired by the function of the ClC-ec1 protein, we report the design of Cl--assisted proton transport channels within a hybrid membrane composed of covalent organic frameworks (COFs) integrated with aramid nanofibers (ANFs). By leveraging buffer layer-mediated interfacial polymerization and the flocculation behavior of ANF in aqueous environments, we establish robust hydrogen-bonding interactions between COFs and ANFs. The hydride material enables Cl- binding, significantly accelerating proton transport in a manner similar to that of the ClC-ec1 protein channel. In the presence of a small concentration of Cl- ions (0.1% of the proton concentration), the proton permeation rate is enhanced approximately by 3 times, reaching 9.8 mol m-2 h-2. Notably, the membrane facilitates sustainable osmotic power generation from acidic wastewater, delivering an output power density of 434.8 W m-2. Theoretical calculations revealed that ANF preferentially binds Cl-, promoting proton hopping and lowering the energy barrier for proton transport. This study establishes a new paradigm for bioinspired ion-assisted proton transport, presenting an approach for sustainable energy harvesting from acidic wastewater.
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