Interfacial Super‐Assembly of Vacancy Engineered Ultrathin‐Nanosheets Toward Nanochannels for Smart Ion Transport and Salinity Gradient Power Conversion

渗透力 材料科学 空位缺陷 离子 化学工程 氢氧化物 离子运输机 纳米技术 纳米纤维 化学物理 化学 有机化学 结晶学 正渗透 反渗透 生物化学 工程类
作者
Abuduheiremu Awati,Ran Yang,Ting Shi,Shan Zhou,Xin Zhang,Hui Zeng,Yaokang Lv,Kang Liang,Lei Xie,Dazhang Zhu,Mingxian Liu,Biao Kong,Mingxian Liu,Mingxian Liu,Biao Kong
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:63 (32): e202407491-e202407491 被引量:32
标识
DOI:10.1002/anie.202407491
摘要

Ion-selective nanochannel membranes assembled from two-dimensional (2D) nanosheets hold immense promise for power conversion using salinity gradient. However, they face challenges stemming from insufficient surface charge density, which impairs both permselectivity and durability. Herein, we present a novel vacancy-engineered, oxygen-deficient NiCo layered double hydroxide (NiCoLDH)/cellulose nanofibers-wrapped carbon nanotubes (VOLDH/CNF-CNT) composite membrane. This membrane, featuring abundant angstrom-scale, cation-selective nanochannels, is designed and fabricated through a synergistic combination of vacancy engineering and interfacial super-assembly. The composite membrane shows interlayer free-spacing of ~3.62 Å, which validates the membrane size exclusion selectivity. This strategy, validated by DFT calculations and experimental data, improves hydrophilicity and surface charge density, leading to the strong interaction with K+ ions to benefit the low ion transport resistance and exceptional charge selectivity. When employed in an artificial river water|seawater salinity gradient power generator, it delivers a high-power density of 5.35 W/m2 with long-term durability (20,000s), which is almost 400 % higher than that of the pristine NiCoLDH membrane. Furthermore, it displays both pH- and temperature-sensitive ion transport behavior, offering additional opportunities for optimization. This work establishes a basis for high-performance salinity gradient power conversion and underscores the potential of vacancy engineering and super-assembly in customizing 2D nanomaterials for diverse advanced nanofluidic energy devices.
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