Engineered subnanochannel ionic diode membranes based on metal–organic frameworks for boosted lithium ion transport and osmotic energy conversion in organic solution

反向电渗析 化学 沸石咪唑盐骨架 化学工程 离子键合 能量转换效率 金属有机骨架 材料科学 离子 纳米技术 有机化学 吸附 光电子学 工程类 生物化学 电渗析
作者
Amalia Rizki Fauziah,Chien‐Wei Chu,Li‐Hsien Yeh
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:452: 139244-139244 被引量:38
标识
DOI:10.1016/j.cej.2022.139244
摘要

Harvesting Gibbs energy from a salinity gradient of waste organic solutions can not only alleviate the environmental pollution but also provide new energy resources to mitigate the energy shortage. However, the membranes with high ion selectivity, excellent ionic flux, and high-performance power output in organic solutions remain considerably unexplored. Here, we report on the metal–organic framework (MOF) based subnanochannel ionic diode membrane (IDM), comprising a large-area and continuous zeolitic imidazolate framework-8/polystyrene sulfonate membrane and a highly ordered alumina nanochannel membrane, for highly efficient osmotic energy conversion in organic solution. We show that a distinctly asymmetric design of pore sizes, charges, and wettabilities and the numerous highly negatively charged and angstrom-scale window-cavity pore structures in the MOF layer endow the subnanochannel IDM with directional and amplified Li+ ion transport and enhanced selectivity in methanol. Thus, an unprecedented power density of ∼23.4 W/m2 is achieved when a 2 M LiCl-methanol solution is mixed with the pure methanol, 5-times more than the existing value. This work provides significant insights into the use of rectified ion channel-mimetic membranes for achieving ultrafast Li+ ion transport at the confinement and high-performance energy harvesting from organic solutions.
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