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Zwitterionic Gradient Double‐Network Hydrogel Membranes with Superior Biofouling Resistance for Sustainable Osmotic Energy Harvesting

生物污染 反向电渗析 材料科学 缓压渗透 渗透 渗透力 化学工程 纳米技术 正渗透 反渗透 化学 工程类 生物化学 电渗析
作者
Kang‐Ting Huang,Wen‐Hsin Hung,Yu‐Chun Su,Fu‐Cheng Tang,Lam Dieu Linh,Chun‐Jen Huang,Li‐Hsien Yeh
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:33 (19) 被引量:83
标识
DOI:10.1002/adfm.202211316
摘要

Abstract Developing ion‐selective membranes with anti‐biofouling property and biocompatibility is highly crucial in harvesting osmotic energy in natural environments and for future biomimetic applications. However, the exploration of membranes with these properties in osmotic energy conversion remain largely unaddressed. Herein, a tough zwitterionic gradient double‐network hydrogel membrane (ZGDHM) with excellent biofouling resistance and cytocompatibility for sustainable osmotic energy harvesting is demonstrated. The ZGDHM, composed of negatively charged 2‐acrylamido‐2‐methylpropanesulfonic acid (AMPS) as the first scaffold network and zwitterionic sulfobetaine acrylamide (SBAA) as the second network, is prepared by a two‐step photopolymerization, thus creating continuous gradient double‐network nanoarchitecture and then remarkably enhanced mechanical properties. As verified by the experiments and simulations, the gradient nanoarchitecture endows the hydrogel membrane with apparent ionic diode effect and space‐charge‐governed transport property, thus facilitating directional ion transport. Consequently, the ZGDHM can achieve a power density of 5.44 W m −2 by mixing artificial seawater and river water, surpassing the commercial benchmark. Most importantly, the output power can be promoted to an unprecedented value of 49.6 W m −2 at the mixing of salt‐lake water and river water, nearly doubling up most of the existing nanofluidic membranes. This study paves a new avenue toward developing ultrahigh‐performance osmotic energy harvesters for biomimetic applications.
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