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Horizontally Asymmetric Nanochannels of Graphene Oxide Membranes for Efficient Osmotic Energy Harvesting

反向电渗析 石墨烯 材料科学 离子键合 化学物理 化学工程 能斯特方程 氧化物 纳米技术 离子 化学 电渗析 有机化学 物理化学 电极 工程类 生物化学 冶金
作者
Ki Ryuk Bang,Choah Kwon,Ho Lee,Sangtae Kim,Eun Seon Cho
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:17 (11): 10000-10009 被引量:17
标识
DOI:10.1021/acsnano.2c11975
摘要

Reverse electrodialysis (RED) directly harvests renewable energy from salinity gradients, and the achievable potential power heavily relies on the ion exchange membranes. Graphene oxides (GOs) are considered a solid candidate for the RED membrane because the laminated GO nanochannels with charged functional groups provide an excellent ionic selectivity and conductivity. Yet, a high internal resistance and poor stability in aqueous solutions limit the RED performance. Here, we develop a RED membrane that concurrently achieves high ion permeability and stable operation based on epoxy-confined GO nanochannels with asymmetric structures. The membrane is fabricated by reacting epoxy-wrapped GO membranes with ethylene diamine via vapor diffusion, overcoming the swelling properties in aqueous solutions. More importantly, the resultant membrane exhibits asymmetric GO nanochannels in terms of both channel geometry and electrostatic surface charges, leading to the rectified ion transport behavior. The demonstrated GO membrane exhibits the RED performance up to 5.32 W·m-2 with >40% energy conversion efficiency across a 50-fold salinity gradient and 20.3 W·m-2 across a 500-fold salinity gradient. Planck-Nernst continuum models coupled to molecular dynamics simulations rationalize the improved RED performance in terms of the asymmetric ionic concentration gradient within the GO nanochannel and the ionic resistance. The multiscale model also provides the design guidelines for ionic diode-type membranes configuring the optimum surface charge density and ionic diffusivity for efficient osmotic energy harvesting. The synthesized asymmetric nanochannels and their RED performance demonstrate the nanoscale tailoring of the membrane properties, establishing the potentials for 2D material-based asymmetric membranes.
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