Two-dimensional Materials for Osmotic Energy Conversion

doi:10.7503/cjcu20200605

Abstract

Abstract:

Osmotic energy conversion， the extraction of power from the salt difference between river water and seawater， is a crucial way to solve the energy crisis in future. Osmotic energy attracts extensive attention and research due to its huge reserves， easy accessibility， and sustainability. Ion-exchange membrane is a key component in reverse electrodialysis（RED） technology for osmotic energy conversion， which immensely impacts the performance of osmotic energy conversion. Two-dimensional（2D） materials such as graphene， graphene oxide， molybdenum disulfide， various frame materials and their functionalized composites have become prospective materials for harvesting osmotic energy on account of their excellent ion selective transport， nanoscale pores or channels， abundant functional groups， and modifiability. In this review， we summarize the types of 2D materials as ion transport channels and their corresponding transport mechanisms. Furthermore， we also discuss the current state of the art in designs and show the applications of 2D materials and their composites in osmotic energy conversion. Finally， we overview the challenges of 2D materials in osmotic energy conversion and propose future directions of research.

Key words: Two-dimensional material, Osmotic energy conversion, Ion transport, Nanochannels, Composite membrane

CLC Number:

O648

TrendMD:

XIN Weiwen, WEN Liping. Two-dimensional Materials for Osmotic Energy Conversion[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(2): 445.

Figures/Tables 5

References 70

1	Logan B. E.， Elimelech M.， Nature，2012， 488（7411）， 313—319
2	Cipollina A.， Micale G.， Tamburini A.， Tedesco M.， Gurreri L.， Veerman J.， Grasman S.， Sustainable Energy from Salinity Gradients，2016， 135—180
3	Zhang Z.， Kong X. Y.， Xiao K.， Liu Q.， Xie G.， Li P.， Ma J.， Tian Y.， Wen L.， Jiang L.， J. Am. Chem. Soc.，2015， 137（46）， 14765—14772
4	Xin W.， Xiao H.， Kong X. Y.， Chen J.， Yang L.， Niu B.， Qian Y.， Teng Y.， Jiang L.， Wen L.， ACS Nano，2020， 14， 9701—9710
5	Dlugole P.， Gambier A.， Nijmeijer K.， Wessling M.， Environ. Sci. Technol.，2009， 43（17）， 6888—6894
6	Yip N. Y.， Elimelech M.， Environ. Sci. Technol.，2012， 46（9）， 5230—5239
7	Hu J.， Xu S.， Wu X.， Wu D.， Jin D.， Wang P.， Leng Q.， Energy Convers. Manag.，2019， 183， 803—815
8	Mei Y.， Liu L.， Lu Y. C.， Tang C. Y.， Environ. Sci. Technol.，2019， 53（8）， 4640—4647
9	Vermaas D. A.， Saakes M.， Nijmeijer K.， Environ. Sci. Technol.，2011， 45（16）， 7089—7095
10	Macha M.， Marion S.， Nandigana V. V. R.， Radenovic A.， Nat. Rev. Mater.，2019， 4（9）， 588—605
11	Siria l.， Bocquet M. L.， Bocquet L.， Nat. Rev. Chem.，2017， 1， 0091
12	Li R.， Jiang J.， Liu Q.， Xie Z.， Zhai J.， Nano Energy，2018， 53， 643—649
13	Fu Y.， Guo X.， Wang Y.， Wang X.， Xue J.， Nano Energy，2019， 57， 783—790
14	Lee K. H.， Park H.， Eom W.， Kang D. J.， Noh S. H.， Han T. H.， J. Mater. Chem. A，2019， 7（41）， 23727—23732
15	Siria A.， Poncharal P.， Biance A. L.， Fulcrand R.， Blase X.， Purcell S. T.， Bocquet L.， Nature，2013， 494（7438）， 455—458
16	Feng J.， Graf M.， Liu K.， Ovchinnikov D.， Dumcenco D.， Heiranian M.， Nandigana V.， Aluru N. R.， Kis A.， Radenovic A.， Nature，2016， 7615， 197—200
17	Guo Y.， Huang H.， Li Z.， Wang X.， Li P.， Deng Z.， Peng X.， ACS Appl. Mater. Interfaces，2019， 11（38）， 35496—35500
18	Ji J.， Kang Q.， Zhou Y.， Feng Y.， Chen X.， Yuan J.， Guo W.， Wei Y.， Jiang L.， Adv. Funct. Mater.，2017， 27（2）， 1603623
19	Perez M. D. B.， Nicolai A.， Delarue P.， Meunier V.， Drndic M.， Senet P.， Appl. Phys. Lett.，2019， 114（2）， 023107
20	Xiao K.， Giusto P.， Wen L.， Jiang L.， Antonietti M.， Angew. Chem. Int. Ed.，2018， 57（32）， 10123—10126
21	Gao J.， Feng Y.， Guo W.， Jiang L.， Chem. Soc. Rev.，2017， 46（17）， 5400—5424
22	Walker M. I.， Ubych K.， Saraswat V.， Chalklen E. A.， Braeuninger⁃Weimer P.， Caneva S.， Weatherup R. S.， Hofmann S.， Keyser U. F.， ACS Nano，2017， 11（2）， 1340—1346
23	Grosjean B.， Pean C.， Siria A.， Bocquet L.， Vuilleumier R.， Bocquet M. L.， J. Phys. Chem. Lett.，2016， 7（22）， 4695—4700
24	He Z.， Zhou J.， Lu X.， Corry B.， ACS Nano，2013， 7， 10148—10157
25	Sun P.， Zheng F.， Zhu M.， Song Z.， Wang K.， Zhong M.， Wu D.， Little R. B.， Xu Z.， Zhu H.， ACS Nano，2014， 8（1）， 850—859
26	Xin W.， Zhang Z.， Huang X.， Hu Y.， Zhou T.， Zhu C.， Kong X. Y.， Jiang L.， Wen L.， Nat. Commun.，2019， 10（1）， 3876—3885
27	Chen J.， Xin W.， Kong X. Y.， Qian Y.， Zhao X.， Chen W.， Sun Y.， Wu Y.， Jiang L.， Wen L.， ACS Energy Lett.，2019， 5（3）， 742—748
28	Zhao Y.， Wang J.， Kong X. Y.， Xin W.， Zhou T.， Qian Y.， Yang L.， Pang J.， Jiang L.， Wen L.， Natl. Sci. Rev.，2020， 7（8）， 1349—1359
29	Zhang Z.， Sui X.， Li P.， Xie G.， Kong X.， Xiao K.， Gao L.， Wen L.， Jiang L.， J. Am. Chem. Soc.，2017， 139（26）， 8905—8914
30	Sui X.， Zhang Z.， Zhang Z.， Wang Z.， Li C.， Yuan H.， Gao L.， Wen L.， Fan X.， Yang L.， Zhang X.， Jiang L.， Angew. Chem. Int. Ed.，2016， 55（42）， 13056—13060
31	Zhang Z.， Kong X. Y.， Xiao K.， Xie G.， Liu Q.， Tian Y.， Zhang H.， Ma J.， Wen L.， Jiang L.， Adv. Mater.，2016， 28， 144—150
32	Cheng L. J.， Guo L. J.， Chem. Soc. Rev.，2010， 39（3）， 923—938
33	Farimani A. B.， Min K.， Aluru N. R.， ACS Nano，2014， 8（8）， 7914—7922
34	Fanget A.， Traversi F.， Khlybov S.， Granjon P.， Magrez A.， Forro L.， Radenovic A.， Nano Lett.，2014， 14（1）， 244—249
35	Heerema S. J.， Dekker C.， Nat. Nanotechnol.，2016， 11（2）， 127—136
36	Traversi F.， Raillon C.， Benameur S. M.， Liu K.， Khlybov S.， Tosun M.， Krasnozhon D.， Kis A.， Radenovic A.， Nat. Nanotechnol.，2013， 8（12）， 939—945
37	Joshi R. K.， Carbone P.， Wang F. C.， Kravets V. G.， Su Y.， Grigorieva I. V.， Wu H. A.， Geim A. K.， Nair R. R.， Science，2014， 343（6172）， 752—754
38	Esfandiar A.， Radha B.， Wang F. C.， Yang Q.， Hu S.， Garaj S.， Nair R. R.， Geim A. K.， Gopinadhan K.， Science，2017， 358（6362）， 511—513
39	Chen L.， Shi G.， Shen J.， Peng B.， Zhang B.， Wang Y.， Bian F.， Wang J.， Li D.， Qian Z.， Xu G.， Liu G.， Zeng J.， Zhang L.， Yang Y.， Zhou G.， Wu M.， Jin W.， Li J.， Fang H.， Nature，2017， 550（7676）， 380—383
40	Abraham J.， Vasu K. S.， Williams C. D.， Gopinadhan K.， Su Y.， Cherian C. T.， Dix J.， Prestat E.， Haigh S. J.， Grigorieva I. V.， Carbone P.， Geim A. K.， Nair R. R.， Nat. Nanotechnol.，2017， 12（6）， 546—550
41	Cheng C.， Jiang G.， Simon G. P.， Liu J. Z.， Li D.， Nat. Nanotechnol.，2018， 13（8）， 685—690
42	Rollings R. C.， Kuan A. T.， Golovchenko J. A.， Nat. Commun.，2016， 7， 11408
43	Razmjou A.， Asadnia M.， Hosseini E.， Habibnejad Korayem A.， Chen V.， Nat. Commun.，2019， 10（1）， 5793
44	Yang P.， Liu K.， Chen Q.， Li J.， Duan J.， Xue G.， Xu Z.， Xie W.， Zhou J.， Energy Environ. Sci.，2017， 10（9）， 1923—1927
45	Graf M.， Lihter M.， Unuchek D.， Sarathy A.， Leburton J. P.， Kis A.， Radenovic A.， Joule，2019， 3（6）， 1549—1564
46	Jia Z.， Wang B.， Song S.， Fan Y.， Renewable Sustainable Energy Rev.，2014， 31， 91—100
47	Kim D.， Duan C.， Chen Y.， Majumdar A.， Microfluid. Nanofluid.，2010， 9（6）， 1215—1224
48	Ouyang W.， Wang W.， Zhang H.， Wu W.， Li Z.， Nanotechnology，2013， 24（34）， 345401
49	Ries L.， Petit E.， Michel T.， Diogo C. C.， Gervais C.， Salameh C.， Bechelany M.， Balme S.， Miele P.， Onofrio N.， Voiry D.， Nat. Mater.，2019， 18（10）， 1112—1117
50	Hong S.， Ming F.， Shi Y.， Li R.， Kim I. S.， Tang C. Y.， Alshareef H. N.， Wang P.， ACS Nano，2019， 13（8）， 8917—8925
51	Hong S.， Constans C.， Surmani Martins M. V.， Seow Y. C.， Guevara Carrio J. A.， Garaj S.， Nano Lett.，2017， 17（2）， 728—732
52	Raidongia K.， Huang J.， J. Am. Chem. Soc.，2012， 134（40）， 16528—16531
53	Shan Y. P.， Tiwari P. B.， Krishnakumar P.， Vlassiouk I.， Li W. Z.， Wang X. W.， Darici Y.， Lindsay S. M.， Wang H. D.， Smirnov S.， He J.， Nanotechnology，2013， 24（49）， 495102
54	Konkena B.， Vasudevan S.， J. Phys. Chem. Lett.，2012，3（7）， 867—872
55	Guo W.， Cao L.， Xia J.， Nie F. Q.， Ma W.， Xue J.， Song Y.， Zhu D.， Wang Y.， Jiang L.， Adv. Funct. Mater.，2010， 20（8）， 1339—1344
56	Schoch R. B.， Han J.， Renaud P.， Rev. Mod. Phys.，2008， 80（3）， 839—883
57	Zhu X.， Zhou Y.， Hao J.， Bao B.， Bian X.， Jiang X.， Pang J.， Zhang H.， Jiang Z.， Jiang L.， ACS Nano，2017， 11（11）， 10816—10824
58	Zhang Y.， Zhang S.， Chung T. S.， Environ. Sci. Technol.，2015， 49（16）， 10235—10242
59	Cervera J.， Schiedt B.， Ramirez P.， Europhys. Lett.，2005， 71（1）， 35—41
60	White H. S.， Bund A.， Langmuir，2008， 24， 2212—2218
61	Wang J.， Zhang M.， Zhai J.， Jiang L.， Phys. Chem. Chem. Phys.，2014， 16（1）， 23—32
62	Gao J.， Guo W.， Feng D.， Wang H.， Zhao D.， Jiang L.， J. Am. Chem. Soc.，2014， 136（35）， 12265—12272
63	Zhang Z.， Wen L.， Jiang L.， Chem. Soc. Rev.，2017， 47（2）， 322—356
64	Wu Y.， Xin W.， Kong X. Y.， Chen J.， Qian Y.， Sun Y.， Zhao X.， Chen W.， Jiang L.， Wen L.， Mater. Horiz.，2020， 7（10）， 2702—2709
65	Zhang Z.， Yang S.， Zhang P.， Zhang J.， Chen G.， Feng X.， Nat. Commun.，2019， 10（1）， 2920—2928
66	Ling S.， Jin K.， Kaplan D. L.， Buehler M. J.， Nano Lett.，2016， 16， 3795—3800
67	Rockwood D. N.， Preda R. C.， Yücel T.， Wang X. Q.， Lovett M. L.， Kaplan D. L.， Nat. Protoc.，2011， 6（10）， 1612—1620
68	Zhang Z.， He L.， Zhu C.， Qian Y.， Wen L.， Jiang L.， Nat. Commun.，2020， 11（1）， 875
69	Zhu X.， Hao J.， Bao B.， Zhou Y.， Zhang H.， Pang J.， Jiang Z.， Jiang L.， Sci. Adv.，2018， 4， eaau1665
70	Chen C.， Liu D.， He L.， Qin S.， Wang J.， Razal J. M.， Kotov N. A.， Lei W.， Joule，2020， 4（1）， 247—261

[1]	ZHANG Yichao, ZHAO Fulai, WANG Yu, WANG Yaling, SHEN Yongtao, FENG Yiyu, FENG Wei. Experimental Optimization and Theoretical Simulation of High Performance Field-effect Transistors Based on Multilayer Tungsten Diselenide [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(6): 20220113.
[2]	ZHANG Chi, SUN Fuxing, ZHU Guangshan. Synthesis， N₂ Adsorption and Mixed-matrix Membrane Performance of Bimetal Isostructural CAU-21 [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(1): 20210578.
[3]	SHI Jiangwei, MENG Nannan, GUO Yamei, YU Yifu, ZHANG Bin. Recent Advances of Two-dimensional Materials for Electrocatalytic Hydrogen Evolution [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(2): 492.
[4]	DONG Qizheng, ZHAI Jin. Application of Biomimetic Nanofluidic Channel Based on Two-dimensional Materials in Energy Conversion [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(2): 432.
[5]	CHEN Minghua, LI Hongwu, FAN He, LI Yu, LIU Weiduo, XIA Xinhui, CHEN Qingguo. Research Progress of Two-dimensional Transition Metal Dichalcogenides in Supercapacitors [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(2): 539.
[6]	WANG Wei, LU Xiangchao, ZHOU Lijun, LU Yizhen, CAO Yang. Design， Construction and Performance Research of Functional Devices Based on Two-dimensional Piezoelectric Materials [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(2): 595.
[7]	DENG Yaqian, WU Zhitan, LV Wei, TAO Ying, YANG Quanhong. Gelation of Two⁃dimensional Materials for Energy Storage Applications [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(2): 380.
[8]	XIE Chen, CHEN Na, YANG Yanbing, YUAN Quan. Recent Progress of Aptamer Functionalized Two-dimensional Materials Field Effect Transistor Sensors [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(11): 3406.
[9]	MIAO Mengyao, GUO Yichang, SHAO Xueguang, CAI Wensheng. Mechanism of Ion Transport Across Membranes Assisted by Molecular Shuttles [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(10): 3116.
[10]	ZHANG Xin, ZHAO Fulai, WANG Yu, LIANG Xuejing, FENG Yiyu, FENG Wei. Preparation and Electrical Properties of Germanium Telluride Field Effect Transistor [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(9): 2032.
[11]	REN Wen, ZHANG Guoli, YAN Han, HU Xinghua, LI Kun, WANG Jingfeng, LI Ruiqi. Preparation of Superhydrophobic Polyaniline/Polytetrafluoroethylenethylene Composite Membrane and Its Separation Ability for Oil-Water Emulsion ^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(4): 846.
[12]	HUANG Wenjuan, HOU Huayi, CHEN Xiangbai, ZHAI Tianyou. Synthesis of InSe Nanoflakes with Near-infrared Photoresponse Grown by Chemical Vapor Deposition ^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(4): 682.
[13]	FANG Mingliang,LIU Dong,HU Meishao,WANG Lei. Synthesis and Properties of Highly Branched Comb-shaped Poly(aryl ether sulfone)s/imidazolium-functionalized Graphene Oxide Anion Exchange Composite Membranes ^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(2): 365.
[14]	XIONG Zhengrong,DONG Li,LIU Xiangdong,YANG Yuming. Preparation and Properties Characterization of PDA/PVDF UV Shielding Composite Membranes [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2019, 40(4): 849.
[15]	LIANG Xu, QIN Lijuan, ZHANG Yatao, LIU Jindun. Preparation and Properties of Poly-2-methacryloyloxyethyl Phosphorylcholine Grafted Silica/Polyethersulfone Composite Membrane^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2018, 39(3): 598.