Light-Augmented Multi-ion Interaction in MXene Membrane for Simultaneous Water Treatment and Osmotic Power Generation

渗透力 离子 废水 水溶液中的金属离子 材料科学 功率密度 膜透性 化学工程 化学 环境科学 正渗透 环境工程 功率(物理) 反渗透 工程类 物理 有机化学 量子力学 生物化学
作者
Jiaxiang Xia,Hongfei Gao,Shangfa Pan,Tao Huang,Li Zhang,Kunyan Sui,Jun Gao,Xueli Liu,Lei Jiang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:17 (24): 25269-25278 被引量:38
标识
DOI:10.1021/acsnano.3c08487
摘要

The mixing of wastewater and natural water releases abundant osmotic energy. Harvesting this energy could significantly reduce the energy and economic cost of water treatment, leading to sustainable wastewater treatment technology. Yet, such energy harvesting is highly challenging because it requires a material that is highly permeable to nontoxic ions while rejecting toxic ions in wastewater to reach high power density and prevent environmental pollution. In this work, we demonstrate that a light-augmented biomimetic multi-ion interaction in an MXene membrane can simultaneously realize high permeability of Na+ ions for enhanced osmotic power generation and high selectivity to heavy metal ions up to a ratio of 2050 for wastewater treatment. The Na+ permeability is enhanced by the photothermal effect of the MXene membrane. The transport of heavy metal ions, however, is suppressed because, under angstrom-confinement, heavy metal ions are strongly electrostatically repelled by the increased number of permeating Na+ ions. As a result, the membrane can stably generate osmotic power from simulated industrial wastewater, and the power density can be enhanced by 4 times under light illumination of approximate 1 sun intensity. This work highlights the importance of multi-ion interaction for the transport properties of ionic materials, which remains rarely investigated and poorly understood in previous studies.
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