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Advances in Two-Dimensional Ion-Selective Membranes: Bridging Nanoscale Insights to Industrial-Scale Salinity Gradient Energy Harvesting

纳米尺度 纳米技术 材料科学 离子 比例(比率) 桥接(联网) 盐度 环境科学 化学物理 化学 计算机科学 地质学 物理 海洋学 计算机网络 生物化学 有机化学 量子力学
作者
Xinyi Ma,M. Neek-Amal,Chengzhen Sun
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (20): 12610-12638 被引量:41
标识
DOI:10.1021/acsnano.3c11646
摘要

Salinity gradient energy, often referred to as the Gibbs free energy difference between saltwater and freshwater, is recognized as “blue energy” due to its inherent cleanliness, renewability, and continuous availability. Reverse electrodialysis (RED), relying on ion-selective membranes, stands as one of the most prevalent and promising methods for harnessing salinity gradient energy to generate electricity. Nevertheless, conventional RED membranes face challenges such as insufficient ion selectivity and transport rates and the difficulty of achieving the minimum commercial energy density threshold of 5 W/m2. In contrast, two-dimensional nanostructured materials, featuring nanoscale channels and abundant functional groups, offer a breakthrough by facilitating rapid ion transport and heightened selectivity. This comprehensive review delves into the mechanisms of osmotic power generation within a single nanopore and nanochannel, exploring optimal nanopore dimensions and nanochannel lengths. We subsequently examine the current landscape of power generation using two-dimensional nanostructured materials in laboratory-scale settings across various test areas. Furthermore, we address the notable decline in power density observed as test areas expand and propose essential criteria for the industrialization of two-dimensional ion-selective membranes. The review concludes with a forward-looking perspective, outlining future research directions, including scalable membrane fabrication, enhanced environmental adaptability, and integration into multiple industries. This review aims to bridge the gap between previous laboratory-scale investigations of two-dimensional ion-selective membranes in salinity gradient energy conversion and their potential large-scale industrial applications.
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