日本神户大学Hideto Matsuyama教授团队 JMS：二维氧化石墨烯膜中有助于离子/离子选择性的纳米通道特性

研究背景

选择性离子/离子传输在环境和能源应用中非常重要。具有亚纳米孔径和电荷特性的纳滤膜在有效分离目标离子方面已经获得了极大的关注。然而，孔径大小、电荷以及它们对离子/离子分离的综合影响的贡献仍然相对未被探索。

内容简介

在本研究中，使用具有有序层间纳米通道的多层石墨烯氧化物膜给出了一个明确的例子。这些膜用于制备不同类型的纳米通道，每种通道具有不同的通道尺寸和电荷性质。进行了系统的研究以辨别它们对一价/二价离子对的分离选择性。未发现控制一价/二价离子选择性的主导因素是亚纳米尺度内的通道孔径。这可能是因为纳米通道是柔性的，不能根据它们的具体尺寸严格筛选离子。相反，一价和二价离子之间的静电效应差异在提高亚纳米通道内的离子/离子选择性方面起着更重要的作用。这项研究为二维膜纳米通道中的选择性离子传输提供了某些见解，可能有助于设计具有单离子选择性的纳米通道。

图文导读

(a)具有不同O/C比的GO膜的示意图，(b)具有不同氧化程度的GO膜的O/C比，(C)pH = 7时GO膜的表面zeta电势，(d)不同GO膜在干态和湿态下的层间间距。

不同GO膜的单盐渗透性。

(a)离子/离子选择性，和(b)具有不同O/C比的GO膜的阴离子对的示意图，(c)离子/离子选择性，和(d)具有不同进料溶液的GO60和GO20膜的示意图。Cl^–和SO₄^2–的电荷当量浓度比为9/1、4/1、1/1、1/4和1/9。

(a)离子/离子选择性，和(b)具有不同O/C比的GO膜的阳离子对的示意图，(C)离子/离子选择性，和(d)具有各种进料溶液的GO60和GO20膜的示意图。Li⁺和Mg²⁺的电荷当量浓度比)为9/1、4/1、1/1、1/4和1/9。

(a)zeta电势和(b)PAA改性前后GO膜的静电相互作用示意图。

GO和GOPAA膜的水渗透性和离子/离子选择性概述。

总结与展望

这项研究证明了纳米通道特性对单盐溶质选择性的依赖性。通过控制GO膜纳米通道的电荷和层间距，研究了静电相互作用和空间位阻对SO₄^2–/Cl^–和Li⁺/Mg²⁺离子对分离的影响。主要发现如下:(1)水合一价和二价离子不能被GO膜的纳米通道尺寸显著区分，这可能是由于纳米通道的柔性不能严格筛选特定尺寸的离子；(2)一价和二价离子的静电相互作用的差异起着更重要的作用，并且在亚纳米通道内更有效地增强它们的离子/离子选择性；(3)强调了二元溶液中离子竞争对选择性的贡献，高价离子浓度高的二元溶液更容易被选择性分离。研究发现，在提高离子/离子选择性方面，静电相互作用比通道尺寸效应起着更重要的作用。设计具有相对大的层间间距和丰富电荷的纳米通道有利于有效的单盐选择性过程。这些发现有助于理解纳米通道的选择性，并为设计在离子选择性应用中具有增强性能的二维膜提供了见解。

文献链接：https://doi.org/10.1016/j.memsci.2023.122185

第一作者：Siyu Zhou

通讯作者：Hideto Matsuyama

Guan Kecheng

通讯单位：日本神户大学