Unipolar Ionic Diode Nanofluidic Membranes Enabled by Stepped Mesochannels for Enhanced Salinity Gradient Energy Harvesting

化学 膜 离子键合 纳米流体学 盐度 二极管 能量(信号处理) 纳米技术 光电子学 离子 海洋学 生物化学 材料科学 物理 有机化学 统计 数学 地质学
作者
Yi Yang,Shan Zhou,Zirui Lv,Chin‐Te Hung,Zaiwang Zhao,Tiancong Zhao,Dongliang Chao,Biao Kong,Dongyuan Zhao
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (28): 19580-19589 被引量:47
标识
DOI:10.1021/jacs.4c06949
摘要

Developing ionic diode membranes featuring asymmetric structures is in high demand for salinity gradient energy harvesting. These membranes offer benefits in mitigating ion concentration polarization, thereby promoting ion permeability. However, most reported works focus on the role of heterogeneous charge-based bipolar ionic diode membranes for ion concentration polarization suppression, with comparatively less attention given to maintaining ion selectivity. Herein, unipolar ionic diode nanofluidic mesoporous silica membranes featuring stepped mesochannels were developed via a micellar sequential oriented interfacial self-assembly strategy as a salinity gradient energy harvester. Due to the asymmetric mesochannels and unipolar structure (both sides carry negative charge), the ionic diode membranes exhibit a strong rectification ratio of ∼15.91 to facilitate unidirectional ion transport while maintaining excellent cation selectivity (cation transfer number of ∼0.85). Besides, the vertically aligned mesochannels significantly reduce ion transport resistance, generating a high ionic flux. Consequently, the unipolar ionic diode nanofluidic membranes demonstrate a power output of 5.88 W/m2 between artificial sea and river water. The unipolar feature gives notable enhancements of 296% and 144% in power output compared to the symmetric membrane and bipolar ionic diode membrane, respectively. This work opens up new routes for designing ionic diode membranes for salinity gradient energy harvesting.
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