Freestanding two-dimensional nanofluidic membranes modulated by zwitterionic polyelectrolyte for mono-/di-valent ions selectivity transport

聚电解质 离子 选择性 离子运输机 化学 电解质 水溶液中的金属离子 化学工程 材料科学 无机化学 纳米技术 聚合物 有机化学 电极 生物化学 工程类 催化作用 物理化学
作者
Liheng Dai,Sichen Pang,Shiyi Li,Shiyi Li,Zhiyuan Yi,Kai Qu,Yixing Wang,Yulin Wu,Siyao Li,Siyao Li,Linfeng Lei,Kang Huang,Xuhong Guo,Zhi Xu
出处
期刊:Journal of Membrane Science [Elsevier BV]
卷期号:677: 121621-121621 被引量:23
标识
DOI:10.1016/j.memsci.2023.121621
摘要

Effective separation of mono-/di-valent metal ions based on membrane technology is highly desirable in the energy storage and environmental protection field, but requires membranes capable of selective recognition of ions with similar nano-scale size. In this work, we designed and synthesized the sulfonate polyethylenimine (PEI-SO3H), as a zwitterionic polyelectrolyte, and integrated it into two-dimensional (2D) graphene oxide (GO) confined channels. Stable and sub-nanometer ion-selective transport channels enable fast transport of monovalent metal ions with high mono-/di-valent ion selectivity for K+/Mg2+ (12.2), Na+/Mg2+ (11.4) and Li+/Mg2+ (10.1) under electric field. Notably, the hydration compensation-promoting diffusion (HCPD) mechanism based on the synergistic effect of amino groups as compensation sites and sulfonic acid groups as recognition sites was proposed to understand the high-efficiency ion-selective transport process. In addition, instructed by abovementioned theory, the 2D vermiculite membrane was also designed to well realize the mono-/di-valent ions separation. This study provides a new strategy to construct freestanding 2D membranes with efficient ion-selective transport channels instructed by HCPD theory, which is expected to expand the potential for using membranes in the lithium extraction.
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