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From Salinity Gradients to Sustainable Power: A Paradigm Shift in Materials, Thermodynamics, and System Design in Next‐Generation Osmotic Energy Harvesting

海水淡化 材料科学 渗透力 卤水 工艺工程 结垢 正渗透 纳米技术 化学工程 反向电渗析 材料设计 可再生能源 环境科学 渗透 盐度 系统设计 能量收集 吉布斯自由能 生化工程 多孔介质 生物污染 浓差极化 能量转换 环境工程 制作 表面能 离子交换 缩放比例 冷却液 离子 太阳能 缓压渗透 可扩展性 计算机科学 多孔性 储能 渗透压 膜透性 能源消耗
作者
Jyoti Prakash Das,Vempuluru Navakoteswara Rao,Sang‐Jae Kim
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:: e74449-e74449
标识
DOI:10.1002/adma.74449
摘要

Osmotic energy, arising from the Gibbs free energy of mixing between solutions of differing salinity, is an entropy-driven resource that can, in principle, deliver continuous baseload power at river-sea interfaces, desalination brine outlets, and wastewater discharges. Despite this attractive thermodynamic ceiling, practical deployment of pressure-retarded osmosis, reverse electrodialysis, and emerging osmotic architectures has long been constrained by membrane resistance, concentration polarization, fouling, and limited operational stability. This Review traces the evolution of osmotic energy conversion through the lens of materials science, from early polymeric and ion-exchange membranes to contemporary highly selective ion pathways. By correlating pore size, surface charge density, interfacial chemistry, and hierarchical morphology with ion selectivity, power density, and durability under realistic salinity gradients, we distil general design principles that reconcile the classical permeability selectivity trade-off and mitigate fouling and internal resistance. We further discuss the integration of molecular dynamics and multiscale transport modelling to rationalize ion migration in confined geometries and to guide the atomic-scale engineering of nanochannels. Finally, we assess emerging directions, including scalable fabrication routes, and data-driven optimization of membrane and module design that define a materials-centered roadmap for translating osmotic energy from laboratory prototypes to technologically and economically relevant blue energy infrastructures.
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