Enhancing Ionic Selectivity and Osmotic Energy by Using an Ultrathin Zr‐MOF‐Based Heterogeneous Membrane with Trilayered Continuous Porous Structure

选择性 多孔性 化学工程 离子键合 材料科学 化学 多孔介质 半透膜 生物物理学 离子 有机化学 催化作用 生物化学 生物 工程类
作者
Zhen‐Jie Yang,Li‐Hsien Yeh,Yu‐Hsiang Peng,Yi‐Ping Chuang,Kevin C.‐W. Wu
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:63 (35): e202408375-e202408375 被引量:20
标识
DOI:10.1002/anie.202408375
摘要

Designing a nanofluidic membrane with high selectivity and fast ion transport property is the key towards high-performance osmotic energy conversion. However, most of reported membranes can produce power density less than commercial benchmark (5 W/m2), due to the imbalance between ion selectivity and permeability. Here, we report a novel nanoarchitectured design of a heterogeneous membrane with an ultrathin and dense zirconium-based UiO-66-NH2 metal-organic framework (MOF) layer and a highly aligned and interconnected branched alumina nanochannel membrane. The design leads to a continuous trilayered pore structure of large geometry gradient in the sequence from angstrom-scale to nano-scale to sub-microscale, which enables the enhanced directional ion transport, and the angstrom-sized (~6.6-7 Å) UiO-66-NH2 windows render the membrane with high ion selectivity. Consequently, the novel heterogeneous membrane can achieve a high-performance power of ~8 W/m2 by mixing synthetic seawater and river water. The power density can be largely upgraded to an ultrahigh ~17.1 W/m2 along with ~48.5 % conversion efficiency at a 50-fold KCl gradient. This work not only presents a new membrane design approach but also showcases the great potential of employing the zirconium-based MOF channels as ion-channel-mimetic membranes for highly efficient blue energy harvesting.
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