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Three-dimensional hydrogel membranes for boosting osmotic energy conversion: Spatial confinement and charge regulation induced by zirconium ion crosslinking

离子 Boosting(机器学习) 材料科学 电荷(物理) 化学工程 化学物理 纳米技术 化学 物理 工程类 计算机科学 人工智能 生物化学 有机化学 量子力学 冶金
作者
Caiqin Wu,Jian Wang,Rong Wu,Huan Zeng,Xianfei Chen,Chenling Yao,Jialing Zhou,Xiang‐Yu Kong,Liping Wen,Lei Jiang
出处
期刊:Nano Today [Elsevier]
卷期号:58: 102468-102468 被引量:21
标识
DOI:10.1016/j.nantod.2024.102468
摘要

Ion-exchange membranes have been widely used to harvest osmotic energy in the past decades. However, conventional ion-exchange membranes suffer from low output power and poor conversion efficiency due to their limited pores and high membrane resistance. Herein, a sodium alginate (SA)/3-sulfopropyl acrylate potassium salt (SPAK) hydrogel membrane which has good cationic selectivity and can effectively harvest osmotic energy is designed, yielding a maximum power density of 16.44 W/m2 under a 50-fold NaCl concentration gradient and 36.85 W/m2 with ion selectivity of 0.73 at 500-fold. Furthermore, by introducing Zr4+, post-crosslinking reaction was employed to prepare tougher hydrogel membranes at room temperature for breaking a trade-off between selectivity and permeability, boosting a maximum power density up to 25.07 W/m2 under a 50-fold NaCl concentration gradient and 121.66 W/m2 with a high cation selectivity of 0.87 at 500-fold. Importantly, the resultant SA/SPAK/Zr4+ membrane reveals excellent osmotic energy harvesting property with the largest thickness of 500 μm, exceeding other reported porous nanofluidic membranes. Theoretical calculations correlate the enhanced power density of SA/SPAK/Zr4+ membranes with the enriched Cl- and smaller pore size after the introduction of Zr4+. This work paves an avenue to design and develop the 3D hydrogel membranes for high-performance osmotic energy generators.
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