Heterogeneous MXene/PS‐b‐P2VP Nanofluidic Membranes with Controllable Ion Transport for Osmotic Energy Conversion

材料科学 渗透力 MXenes公司 浓差极化 能量转换效率 缓压渗透 化学物理 离子运输机 化学工程 能量转换 正渗透 纳米技术 光电子学 热力学 化学 生物化学 物理 工程类 反渗透
作者
Xiangbin Lin,Pei Liu,Weiwen Xin,Yunfei Teng,Jianjun Chen,Yadong Wu,Yifei Zhao,Xiang‐Yu Kong,Lei Jiang,Liping Wen
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:31 (45) 被引量:113
标识
DOI:10.1002/adfm.202105013
摘要

Abstract Membrane‐based osmotic power harvesting is a strategy for sustainable power generation. 2D nanofluids with high ion conductivity and selectivity are emerging candidates for osmotic energy conversion. However, the ion diffusion under nanoconfinement is hindered by homogeneous 2D membranes with monotonic charge regulation and severe concentration polarization, which results in an undesirable power conversion performance. Here, an asymmetric nanochannel membrane with a two‐layered structure is reported, in which the angstrom‐scale channels of 2D transition metal carbides/nitrides (MXenes) act as a screening layer for controlling ion transport, and the nanoscale pores of the block copolymer (BCP) are the pH‐responsive arrays with an ordered nanovoid structure. The heterogeneous nanofluidic device exhibits an asymmetric charge distribution and enlarged 1D BCP porosity under acidic and alkaline conditions, respectively; this improves the gradient‐driven ion diffusion, allowing a high‐performance osmotic energy conversion with a power density of up to 6.74 W m −2 by mixing artificial river water and seawater. Experiments and theoretical simulations indicate that the tunable asymmetric heterostructure contributes to impairing the concentration polarization and enhancing the ion flux. This efficient osmotic energy generator can advance the fundamental understanding of the MXene‐based heterogeneous nanofluidic devices as a paradigm for membrane‐based energy conversion technologies.
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