A Charge-Density-Tunable Three/Two-Dimensional Polymer/Graphene Oxide Heterogeneous Nanoporous Membrane for Ion Transport

纳米孔 材料科学 离子 石墨烯 氧化物 纳米技术 电荷(物理) 聚合物 离子运输机 纳米孔 光电子学 复合材料 化学 物理 生物化学 量子力学 有机化学 冶金
作者
Xuanbo Zhu,Yahong Zhou,Junran Hao,Bin Bao,Xiujie Bian,Xiangyu Jiang,Jinhui Pang,Haibo Zhang,Zhenhua Jiang,Lei Jiang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:11 (11): 10816-10824 被引量:114
标识
DOI:10.1021/acsnano.7b03576
摘要

The design and fabrication of a robust nanoporous membrane in large scale is still a challenge and is of fundamental importance for practical applications. Here, a robust three/two-dimensional polymer/graphene oxide heterogeneous nanoporous membrane is constructed in large scale via the self-assembly approach by chemically designing a robust charge-density-tunable nanoporous ionomer with uniform pore size. To obtain a nanoporous polymer that maintains high mechanical strength and promotes multifunctionality, we designed a series of amphiphilic copolymers by introducing a positively charged pyridine moiety into the engineered polymer polyphenylsulfone. The multiphysical-chemical properties of the membrane enable it to work as a nanogate switch with synergy between wettability and surface charge change in response to pH. Then we systematically studied the transmembrane ionic transport properties of this two-/three-dimensional porous system. By adjusting the charge density of the copolymer via chemical copolymerization through a controlled design route, the rectifying ratio of this asymmetric membrane could be amplified 4 times. Furthermore, we equipped a concentration-gradient-driven energy harvesting device with this charge-density-tunable nanoporous membrane, and a maximum power of ≈0.76 W m-2 was obtained. We expect this methodology for construction of a charge-density-tunable heterogeneous membrane by chemical design will shed light on the material design, and this membrane may further be used in energy devices, biosensors, and smart gating nanofluidic devices.
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