Giant Blue Energy Harvesting in Two‐Dimensional Polymer Membranes with Spatially Aligned Charges

材料科学 反向电渗析 渗透力 聚合物 功率密度 离子 化学物理 纳米技术 化学工程 复合材料 功率(物理) 电渗析 正渗透 化学 物理 有机化学 反渗透 热力学 生物化学 工程类
作者
Xiaohui Liu,Xiaodong Li,Xingyuan Chu,Bowen Zhang,Jiaxu Zhang,Mike Hambsch,Stefan C. B. Mannsfeld,Mino Borrelli,Markus Löffler,Darius Pohl,Yuanwu Liu,Zhen Zhang,Xinliang Feng
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:36 (18): e2310791-e2310791 被引量:32
标识
DOI:10.1002/adma.202310791
摘要

Abstract Blue energy between seawater and river water is attracting increasing interest, as one of the sustainable and renewable energy resources that can be harvested from water. Within the reverse electrodialysis applied in blue energy conversion, novel membranes with nanoscale confinement that function as selective ion transport mediums are currently in high demand for realizing higher power density. The primary challenge lies in constructing well‐defined nanochannels that allow for low‐energy barrier transport. This work proposes a concept for nanofluidic channels with a simultaneous dual electrostatic effect that can enhance both ion selectivity and flux. To actualize this, this work has synthesized propidium iodide‐based two‐dimensional polymer (PI‐2DP) membranes possessing both skeleton charge and intrinsic space charge, which are spatially aligned along the ion transport pathway. The dual charge design of PI‐2DP significantly enhances the electrostatic interaction between the translocating anions and the cationic polymer framework, and a high anion selectivity coefficient (≈0.8) is reached. When mixing standard artificial seawater and river water, this work achieves a considerable power density of 48.4 W m −2 , outperforming most state‐of‐the‐art nanofluidic membranes. Moreover, when applied between the Mediterranean Sea and the Elbe River, an output power density of 42.2 W m −2 is achieved by the PI‐2DP. This nanofluidic membrane design with dual‐layer charges will inspire more innovative development of ion‐selective channels for blue energy conversion that will contribute to global energy consumption.
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