Ion-Concentration-Hopping Heterolayer Gel for Ultrahigh Gradient Energy Conversion

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作者
Weipeng Chen,Ke Zhou,Zhixin Wu,Linsen Yang,Yahui Xie,Xue Meng,Ziguang Zhao,Liping Wen
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (19): 13191-13200 被引量:28
标识
DOI:10.1021/jacs.4c01036
摘要

Conventional solid ion channel systems relying on single one- or two-dimensional confined nanochannels enabled selective and ultrafast convective ion transport. However, due to intrinsic solid channel stacking, these systems often face pore-pore polarization and ion concentration blockage, thereby restricting their efficiency in macroscale ion transport. Here, we constructed a soft heterolayer-gel system that integrated an ion-selective hydrogel layer with a water-barrier organogel layer, achieving ultrahigh cation selectivity and flux and effectively providing high-efficiency gradient energy conversion on a macroscale order of magnitude. Specifically, the hydrogel layer featured an unconfined 3D network, where the fluctuations of highly hydrated polyelectrolyte chains driven by thermal dynamics enhanced cation selectivity and mitigated transfer energy barriers. Such chain fluctuation mechanisms facilitated ion-cluster internal transmission, thereby enhancing ion concentration hopping for more efficient ion-selective transport. Compared to the existing rigid nanochannel-based gradient energy conversion systems, such a heterogel-based power generator exhibited a record power density of 192.90 and 1.07 W/m2 at the square micrometer scale and square centimeter scale, respectively (under a 500-fold artificial solution). We anticipate that such heterolayer gels would be a promising candidate for energy separation and storage applications.
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