Robust Holey Graphene Oxide/Cellulose Nanofiber Composites for Sustainable and Efficient Osmotic Energy Conversion

石墨烯 纳米纤维 复合材料 材料科学 离子运输机 渗透力 纳米孔 离子 化学工程 化学 纳米技术 反渗透 正渗透 有机化学 工程类 生物化学
作者
Sha Wang,Zhu Shan,Mehraj Ahmad,Zhouyue Li,Zhe Sun
出处
期刊:ACS applied nano materials [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsanm.4c01775
摘要

Nanofluidic membranes utilize selective ion transport to capture osmotic energy from salinity gradients, efficiently converting it to electrical energy. However, traditional nanofluidic material synthesis still encounters challenges, including low charge density, high ion transport energy barriers, and limited current output. Here, we present a composite membrane consisting of hole-enriched graphene oxide (HGO) and cellulose nanofibers (CNF), engineered to enhance ion transport and energy conversion. HGO facilitates direct ion transfer through the nanopore within lamellar layers, effectively reducing the transmission distance and lowering the energy barrier for ion movement, thus enabling faster ion transfer between layers. CNF, on the other hand, offers robust mechanical strength and numerous active groups, imparting high ion selectivity to the nanoporous membrane. An osmotic energy generator utilizing the HGO/CNF membrane achieved a peak power density of 1.25 W m–2. Notably, the cationic transference number and energy conversion efficiency peaked at 0.84 and 23.64%, respectively, under a 500-fold concentration gradient. Additionally, the HGO/CNF composite membrane exhibits a robust tensile strength of 78.51 MPa, underscoring its excellent mechanical properties. The above results suggest that this highly ion-selective and energy-efficient composite membrane presents a promising avenue for advancing osmotic energy research.
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