Engineered Asymmetric Heterogeneous Membrane: A Concentration-Gradient-Driven Energy Harvesting Device

反向电渗析 化学 纳米技术 离子键合 纳米流体学 浓差极化 渗透力 离子液体 聚合物 离子 化学工程 电渗析 材料科学 有机化学 正渗透 生物化学 工程类 反渗透 催化作用
作者
Zhen Zhang,Xiang‐Yu Kong,Kai Xiao,Qian Liu,Ganhua Xie,Pei Li,Jie Ma,Ye Tian,Liping Wen,Lei Jiang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:137 (46): 14765-14772 被引量:325
标识
DOI:10.1021/jacs.5b09918
摘要

Engineered asymmetric membranes for intelligent molecular and ionic transport control at the nanoscale have gained significant attention and offer prospects for broad application in nanofluidics, energy conversion, and biosensors. Therefore, it is desirable to construct a high-performance heterogeneous membrane capable of coordinating highly selective and rectified ionic transport with a simple, versatile, engineered method to mimic the delicate functionality of biological channels. Here, we demonstrate an engineered asymmetric heterogeneous membrane by combining a porous block copolymer (BCP) membrane, polystyrene-b-poly(4-vinylpyridine) (PS48400-b-P4VP21300), with a track-etched asymmetric porous polyethylene terephthalate membrane. The introduction of chemical, geometrical, and electrostatic heterostructures provides our heterogeneous membrane with excellent anion selectivity and ultrahigh ionic rectification with a ratio of ca. 1075, which is considerably higher than that of existing ionic rectifying systems. This anion-selective heterogeneous membrane was further developed into an energy conversion device to harvest the energy stored in an electrochemical concentration gradient. The concentration polarization phenomenon that commonly exists in traditional reverse electrodialysis can be eliminated with an asymmetric bipolar structure, which considerably increases the output power density. This work presents an important paradigm for the use of versatile BCPs in nanofluidic systems and opens new and promising routes to various breakthroughs in the fields of chemistry, materials science, bioscience, and nanotechnology.
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