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Weakening Chaotropic Effect of Li + in Two-Dimensional Confined Channels via Coulomb Interactions for Efficient Li + /Mg 2+ Separation

化学物理 材料科学 库仑 离子 致潮剂 工作(物理) 静电学 石墨烯 选择性 纳米技术 再分配(选举) 氧化物 阳极 库仑爆炸 纳米流体学 控制重构 相互作用能 化学工程 电势能 带电粒子 溶剂化 库仑势垒 反离子 嫁接 化学 静电相互作用 聚合物 门控 静电 屏蔽效应 焊剂(冶金) 分子动力学
作者
Zongliang Wan,Zheng Ji,Ruonan Tan,Suixin Zhang,Jingjing Gu,Cen‐Feng Fu,Jin Ran
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:20 (13): 10510-10519
标识
DOI:10.1021/acsnano.5c21440
摘要

The poorly solvated nature of Li+ induces a strong interfacial affinity at the walls of the two-dimensional (2D) confined channels, a phenomenon referred to as the “chaotropic effect”. This phenomenon severely hinders the transport of Li+ by creating substantial interfacial barriers, thereby compromising the Li+/Mg2+ separation efficiency. To tackle this challenge, we developed a strategy of grafting charged groups, such as sulfonates, onto the walls of graphene oxide (GO) channels. Theoretical simulations demonstrate that the Coulomb attraction between the negatively charged sulfonates and Li+ effectively repositions Li+ away from the channel walls toward the central region. This strategic redistribution of Li+ reduces the unfavorable Li+–wall interaction energy from −31.18 kJ/mol to −5.26 kJ/mol and suppresses the Li+’s hydration shell reconfiguration by approximately 49%. We experimentally engineered a sulfonated GO membrane that yields an almost 2-order-of-magnitude enhancement in Li+/Mg2+ selectivity and concurrently boosts Li+ flux by a factor of 5 compared with the pristine GO membrane, further firmly validating the feasibility of our strategy. This work establishes a conceptual framework for realizing highly efficient ion separation through 2D membranes.
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