黒リン膜の酸化促進浸透圧エネルギー変換

Oxidation promoted osmotic energy conversion in black phosphorus membranes.

• Zhen Zhang
• Panpan Zhang
• Sheng Yang
• Tao Zhang
• Markus Löffler
• Huanhuan Shi
• Martin R Lohe
• Xinliang Feng

抄録

二次元(2D)ナノ流体イオン輸送膜は、河川水と海水の間の「青」の浸透圧エネルギーを利用することに大きな期待が寄せられている。新たな層状物質である黒リン(BP)は、最近、広範囲の環境アプリケーションのために探索されています。しかし、エネルギー変換膜としての大きな可能性を秘めているにもかかわらず、世界的な浸透圧エネルギーの抽出にはほとんど注目されていませんでした。本研究では、浸透圧エネルギー変換におけるBP膜の実験的研究を行い、BPの酸化が発電にどのような影響を与えるかを明らかにした。水中での酸化を制御することで、BP膜の出力を大きく向上させることができ、これは生成された荷電リン化合物に起因するものである。酸素濃度に応じた酸化BPの価数に応じて、出力密度を精密に制御し、原始BP膜と比較して約220〜1.6W/m（原始BP膜と比較して）の出力を大幅に向上させることができます。さらに、酸化グラフェンを用いたヘテロ構造を構築することで、BP膜のイオン選択性が約80%向上し、電荷分離効率の向上に貢献し、最先端の二次元ナノ流体膜のほとんどを凌駕する約4.7W/mの性能向上を実現しました。

Two-dimensional (2D) nanofluidic ion transporting membranes show great promise in harvesting the "blue" osmotic energy between river water and sea water. Black phosphorus (BP), an emerging layered material, has recently been explored for a wide range of ambient applications. However, little attention has been paid to the extraction of the worldwide osmotic energy, despite its large potential as an energy conversion membrane. Here, we report an experimental investigation of BP membrane in osmotic energy conversion and reveal how the oxidation of BP influences power generation. Through controllable oxidation in water, power output of the BP membrane can be largely enhanced, which can be attributed to the generated charged phosphorus compounds. Depending on the valence of oxidized BP that is associated with oxygen concentration, the power density can be precisely controlled and substantially promoted by ∼220% to 1.6 W/m (compared with the pristine BP membrane). Moreover, through constructing a heterostructure with graphene oxide, ion selectivity of the BP membrane increases by ∼80%, contributing to enhanced charge separation efficiency and thus improved performance of ∼4.7 W/m that outperforms most of the state-of-the-art 2D nanofluidic membranes.