Protein‐Like Salting‐Out Aggregation Toward Polymeric Cation Nanochannels for Precise Ion Transport

材料科学 膜 工作(物理) 能量转换 纳米技术 离子 聚合物 离子运输机 化学工程 能量转换效率 纳米流体学 高效能源利用 纳米孔 储能
作者
Guangpeng Ma,Jie Yang,Xuanyi Tong,Binglin Mei,Chunyan Wang,Zihe Song,Jie Yang,Yaohan Chen,Lei Dai,Shengyang Zhou
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:: e73799-e73799
标识
DOI:10.1002/smll.73799
摘要

ABSTRACT Selective ion transport is crucial to harvest sustainable osmotic energy, dominating conversion efficiency. In nature, ultrahigh cation/anion selectivity is achieved by biological ion channels, based on ∼3 Å “selectivity filter.” Artificial polymeric nanochannels that feature microphase‐separated or microporous structures promise fast ion transport, however finely tuning nanochannel size to ∼3 Å, to enhance ion selectivity remains challenging. Here, we present a breakthrough in the construction of precisely‐defined cation channels of ∼3.2 Å, via salting‐out aggregation of sulfonated poly(ether ether ketone) (SPEEK). In a dimethyl sulfoxide solution of SPEEK, the addition of organic salts affects the solvation shells of SPEEK to induce polymer chain assembly, whose surface potential increases from −3.76 to −4.40 mV. Subsequently, cation nanochannel membranes (CNMs) form spontaneously at room temperature, and residual salt solutions are recycled directly for the next fabrication. Used in osmotic energy generators, optimal CNMs exhibit far higher Na + (1.9 Å)/Cl − (3.6 Å) selectivity (t + ) of 0.97 than common SPEEK membranes, with ion conductivity improving. Then, both high power density of 5.31 W m −2 and energy conversion efficiency of 44.2% can be achieved, over most reported membranes (<40%) by complicated design and fabrication. This work provides an economically feasible method for fabricating highly selective nanochannel membranes.
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