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Photoinduced Cation Coupled Electron Transfer for Efficient Ionic Power Harvesting Based on CNT/MoS 2 Heterostructures

材料科学 离子 离子运输机 化学物理 电解质 光电子学 光电流 载流子 纳米技术 电极 化学 物理化学 有机化学
作者
Rui Ma,Yadong Wu,Yue Wang,Qingchen Wang,Mengmeng Zheng,Yingjie Zhao,Pei Liu,Qun Xu
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:37 (42): e08641-e08641
标识
DOI:10.1002/adma.202508641
摘要

Abstract Inspired from the light‐driven proton‐coupled electron transfer during photosynthesis in green plants, an engineered CNT/MoS 2 biomimetic nanofluidic system has been successfully developed, which achieves photo‐activated ion transport in iso‐concentration electrolytes through synergistic photothermal‐photoelectric coupling. Under light irradiation, localized photothermal effects in CNT generate a temperature gradient, driving thermophoretic ion migration, while the same irradiation triggers a MoS 2 ‐mediated surface charge gradient via photoexcited carrier redistribution, encompassing both vertical charge transfer and horizontal carrier diffusion. The resultant dual gradients of surface charge asymmetry and temperature differential cooperatively drive autonomous ion pumping. Experimental and theoretical analyses reveal that the temperature gradient dominates the initial unidirectional migration of ions, whereas the surface charge gradient further enhances active ion transport. The synergistic interplay of these gradients yields a unidirectional ion flux, enabling efficient ionic energy harvesting with an output power density of 18.98 mW m −2 and an energy conversion efficiency of 8.3 × 10 −4 %. Systematic investigations of illumination conditions (214–759 mW cm −2 ), electrolyte concentration (10 −6 –10 −1 m ), pH (2–10), and ion species (K + → Mg 2+ ) confirm robust adaptability across diverse conditions, establishing a blueprint for artificial non‐equilibrium iontronics that merges biological transport principles with opto‐nanofluidic engineering for sustainable energy harvesting.
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