Constructing reduced porous graphene oxide for tailoring mass-transfer channels in ultrathin MXene (Ti3C2T ) membranes for efficient dye/salt separation

石墨烯 氧化物 材料科学 传质 化学工程 肿胀 的 纳米技术 磁导率 选择性 化学 色谱法 复合材料 有机化学 工程类 冶金 生物化学 催化作用
作者
Shilong Li,Jian Lu,Dong Zou,Lele Cui,Bin Chen,Feng Wang,Jian Qiu,Tianxiang Yu,Yuqing Sun,Wenheng Jing
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:457: 141217-141217 被引量:38
标识
DOI:10.1016/j.cej.2022.141217
摘要

Two-dimensional (2D) membranes such as graphene oxide (GO) and MXene have attracted increasing interest in water purification. Critical challenges that impede their performance in separation applications include poor stability (swelling), low mass-transfer rate (high tortuosity), and an unavoidable trade-off between permeability and selectivity. Herein, we propose an effective multidimensional channel design strategy for preparing high-performance 2D composite membranes, featuring robust and abundant mass transfer channels. Specifically, reduced porous GO (rPGO) with high-density nanopores (size: ca. 14.7 nm, density: ca. 2.2 × 1014 m−2) and a few oxygen-containing functional groups were rationally designed and then deployed as multifunctional intercalators in MXene interlayers (rPGO-MXene, rPGM) to construct highly permeable, in-plane nanochannels and stable and tunable interlayer sieve channels. The intercalation of tailorable rPGO provides additional transport channels and weakens the interlayer repulsive hydration force, yielding composite membranes with remarkably enhanced water permeability and anti-swelling properties. As a result, the optimized membrane (10 % rPGM) exhibited an outstanding water permeability of 198.8 L m−2h−1 bar−1, 100 % rejection of Congo red, 5.3 % rejection of NaCl, and satisfactory stability (30 h) under cross-flow separation conditions. This study provides an innovative and facile approach for designing robust 2D membranes with abundant permeable nanochannels for highly efficient and precise molecular separation.
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