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Vacancy Engineering for High-Efficiency Nanofluidic Osmotic Energy Generation

化学 渗透力 空位缺陷 离子 化学工程 纳米技术 化学物理 正渗透 结晶学 有机化学 反渗透 生物化学 工程类 材料科学
作者
Javad Safaei,Yifu Gao,M Hosseinpour,Xiuyun Zhang,Yi Sun,Xiao Tang,Zhijia Zhang,Shijian Wang,Xin Guo,Xiaojing Yao,Zhen Chen,Dong Zhou,Feiyu Kang,Lei Jiang,Guoxiu Wang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (4): 2669-2678 被引量:86
标识
DOI:10.1021/jacs.2c12936
摘要

Two-dimensional (2D) nanofluidic membranes have shown great promise in harvesting osmotic energy from the salinity difference between seawater and fresh water. However, the output power densities are strongly hampered by insufficient membrane permselectivity. Herein, we demonstrate that vacancy engineering is an effective strategy to enhance the permselectivity of 2D nanofluidic membranes to achieve high-efficiency osmotic energy generation. Phosphorus vacancies were facilely created on NbOPO4 (NbP) nanosheets, which remarkably enlarged their negative surface charge. As verified by both experimental and theoretical investigations, the vacancy-introduced NbP (V-NbP) exhibited fast transmembrane ion migration and high ionic selectivity originating from the improved electrostatic affinity of cations. When applied in a natural river water|seawater osmotic power generator, the macroscopic-scale V-NbP membrane delivered a record-high power density of 10.7 W m-2, far exceeding the commercial benchmark of 5.0 W m-2. This work endows the remarkable potential of vacancy engineering for 2D materials in nanofluidic energy devices.
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