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Energy Harvesting with Single‐Ion‐Selective Nanopores: A Concentration‐Gradient‐Driven Nanofluidic Power Source

反向电渗析 纳米孔 渗透力 能量收集 材料科学 功率密度 纳米技术 离子 发电 功率(物理) 离子交换膜 化学物理 离子交换 化学 热力学 物理 反渗透 生物化学 有机化学 正渗透
作者
Wei Guo,Liuxuan Cao,Junchao Xia,Fu‐Qiang Nie,Wen Ma,Jianming Xue,Yanlin Song,Daoben Zhu,Yugang Wang,Lei Jiang
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:20 (8): 1339-1344 被引量:461
标识
DOI:10.1002/adfm.200902312
摘要

Abstract Inspired by biological systems that have the inherent skill to generate considerable bioelectricity from the salt content in fluids with highly selective ion channels and pumps on cell membranes, herein, a fully abiotic single‐pore nanofluidic energy‐harvesting system that efficiently converts Gibbs free energy in the form of a salinity gradient into electricity is demonstrated. The maximum power output with the individual nanopore approaches ∼26 pW. By exploiting parallelization, the estimated power density can be enhanced by one to three orders over previous ion‐exchange membranes. A theoretical description is proposed to explain the power generation with the salinity‐gradient‐driven nanofluidic system. Calculation results suggest that the electric‐power generation and its efficiency can be further optimized by enhancing the surface‐charge density (up to 100 mC m −2 ) and adopting the appropriate nanopore size (between 10 and 50 nm). This facile and cost‐efficient energy‐harvesting system has the potential to power biomedical tiny devices or construct future clean‐energy recovery plants.
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