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Covalently Functionalized Nanopores for Highly Selective Separation of Monovalent Ions

纳米孔 材料科学 纳米技术 共价键 离子 化学工程 化学 有机化学 工程类
作者
Liping Guo,Yuancheng Liu,Haiou Zeng,Shengping Zhang,Ruiyang Song,Jing Yang,Xiao Han,Ying Wang,Luda Wang
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:36 (1): e2307242-e2307242 被引量:25
标识
DOI:10.1002/adma.202307242
摘要

Abstract Biological ion channels possess prominent ion transport performances attributed to their critical chemical groups across the continuous nanoscale filters. However, it is still a challenge to imitate these sophisticated performances in artificial nanoscale systems. Herein, this work develops the strategy to fabricate functionalized graphene nanopores in pioneer based on the synergistic regulation of the pore size and chemical properties of atomically thin confined structure through decoupling etching combined with in situ covalent modification. The modified graphene nanopores possess asymmetric ion transport behaviors and efficient monovalent metal ions sieving (K + /Li + selectivity ≈48.6). Meanwhile, it also allows preferential transport for cations, the resulting membranes exhibit a K + /Cl − selectivity of 76 and a H + /Cl − selectivity of 59.3. The synergistic effects of steric hindrance and electrostatic interactions imposing a higher energy barrier for Cl − or Li + across nanopores lead to ultra‐selective H + or K + transport. Further, the functionalized graphene nanopores generate a power density of 25.3 W m −2 and a conversion efficiency of 33.9%, showing potential application prospects in energy conversion. The theoretical studies quantitatively match well with the experimental results. The feasible preparation of functionalized graphene nanopores paves the way toward direct investigation on ion transport mechanism and advanced design in devices.
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