An Ionic Diode Covalent Organic Framework Membrane for Efficient Osmotic Energy Conversion

膜 离子键合 共价有机骨架 材料科学 渗透力 二极管 化学工程 扩散 离子 化学物理 共价键 化学 多孔性 光电子学 有机化学 正渗透 复合材料 热力学 反渗透 工程类 物理 生物化学
作者
Li Cao,I‐Chun Chen,Xiaowei Liu,Zhen Li,Zongyao Zhou,Zhiping Lai
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:16 (11): 18910-18920 被引量:116
标识
DOI:10.1021/acsnano.2c07813
摘要

Heterogeneous membranes that exhibit an ionic diode effect are promising candidates for osmotic energy conversion. However, existing heterogeneous membranes lack molecular-level designed ion channels, thereby limiting their power densities. Here, we demonstrate ionic diode covalent organic framework (COF) membranes with well-defined ion channels, asymmetric geometry and surface charge polarity as high-performance osmotic power generators. The COF diode membranes are comprised of heterojunctions combining a positively charged ultrathin COF layer and a negatively charged COF layer supported by a porous COF nanofiber scaffold, exhibiting an ionic diode effect that effectuates fast unidirectional ion diffusion and anion selectivity. Density functional theory calculations reveal that the differentiated interactions between anions and COF channels contributed to superior I − transport over other anions. Consequently, the COF diode membranes achieved high output power densities of 19.2 and 210.1 W m –2 under a 50-fold NaCl and NaI gradient, respectively, outperforming state-of-the-art heterogeneous membranes. This work suggests the great potential of COF diode membranes for anion transport and energy-related applications.
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