Osmotic Power Generation with Positively and Negatively Charged 2D Nanofluidic Membrane Pairs

材料科学 反向电渗析 离子键合 电解质 离子 纳米流体学 化学物理 纳米技术 离子运输机 纳米材料 渗透力 离子通道 电渗析 正渗透 电极 物理化学 反渗透 生物化学 化学 有机化学 受体
作者
Jinzhao Ji,Qian Kang,Yi Zhou,Yaping Feng,Xi Chen,Jinying Yuan,Wei Guo,Yen Wei,Lei Jiang
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:27 (2) 被引量:410
标识
DOI:10.1002/adfm.201603623
摘要

In nature, hierarchically assembled nanoscale ionic conductors, such as ion channels and ion pumps, become the structural and functional basis of bioelectric phenomena. Recently, ion‐channel‐mimetic nanofluidic systems have been built into reconstructed 2D nanomaterials for energy conversion and storage as effective as the electrogenic cells. Here, a 2D‐material‐based nanofluidic reverse electrodialysis system, containing cascading lamellar nanochannels in oppositely charged graphene oxide membrane (GOM) pairs, is reported for efficient osmotic energy conversion. Through preassembly modification, the surface charge polarity of the 2D nanochannels can be efficiently tuned from negative (−123 mC m −2 ) to positive (+147 mC m −2 ), yielding strongly cation‐ or anion‐selective GOMs. The complementary two‐way ion diffusion leads to an efficient charge separation process, creating superposed electrochemical potential difference and ionic flux. An output power density of 0.77 W m −2 is achieved by controlled mixing concentrated (0.5 m ) and diluted ionic solutions (0.01 m ), which is about 54% higher than using commercial ion exchange membranes. Tandem alternating GOM pairs produce high voltage up to 2.7 V to power electronic devices. Besides simple salt solutions, various complex electrolyte solutions can be used as energy sources. These findings provide insights to construct cascading nanofluidic circuits for energy, environmental, and healthcare applications.
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