Low-voltage electrostatic modulation of ion diffusion through layered graphene-based nanoporous membranes

纳米孔 离子 化学物理 材料科学 扩散 石墨烯 电场 离子运输机 纳米技术 化学 热力学 物理 生物化学 量子力学 有机化学
作者
Chi Cheng,Gengping Jiang,George P. Simon,Jefferson Zhe Liu,Dan Li
出处
期刊:Nature Nanotechnology [Nature Portfolio]
卷期号:13 (8): 685-690 被引量:264
标识
DOI:10.1038/s41565-018-0181-4
摘要

Ion transport in nanoconfinement differs from that in bulk and has been extensively researched across scientific and engineering disciplines1–4. For many energy and water applications of nanoporous materials, concentration-driven ion diffusion is simultaneously subjected to a local electric field arising from surface charge or an externally applied potential. Due to the uniquely crowded intermolecular forces under severe nanoconfinement (<2 nm), the transport behaviours of ions can be influenced by the interfacial electrical double layer (EDL) induced by a surface potential, with complex implications, engendering unusual ion dynamics5–7. However, it remains an experimental challenge to investigate how such a surface potential and its coupling with nanoconfinement manipulate ion diffusion. Here, we exploit the tunable nanoconfinement in layered graphene-based nanoporous membranes to show that sub-2 nm confined ion diffusion can be strongly modulated by the surface potential-induced EDL. Depending on the potential sign, the combination and concentration of ion pairs, diffusion rates can be reversibly modulated and anomalously enhanced by 4~7 times within 0.5 volts, across a salt concentration gradient up to seawater salinity. Modelling suggests that this anomalously enhanced diffusion is related to the strong ion–ion correlations under severe nanoconfinement, and cannot be explained by conventional theoretical predictions. The ion diffusion through nanoconfined fluid channels can be tuned by the electric-field modulation of the electrical double layer.
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