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Ion sieving in graphene oxide membranes via cationic control of interlayer spacing

石墨烯 氧化物 材料科学 阳离子聚合 化学工程 离子 无机化学 化学 纳米技术 高分子化学 有机化学 生物化学 工程类 冶金
作者
Liang Chen,Guosheng Shi,Jie Shen,Bingquan Peng,Bowu Zhang,Yuzhu Wang,Fenggang Bian,Jiajun Wang,Deyuan Li,Zhe Qian,Gang Xu,Gongping Liu,Jianrong Zeng,Lijuan Zhang,Yizhou Yang,Guoquan Zhou,Minghong Wu,Wanqin Jin,Jingye Li,Haiping Fang
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:550 (7676): 380-383 被引量:1430
标识
DOI:10.1038/nature24044
摘要

Graphene oxide membranes-partially oxidized, stacked sheets of graphene-can provide ultrathin, high-flux and energy-efficient membranes for precise ionic and molecular sieving in aqueous solution. These materials have shown potential in a variety of applications, including water desalination and purification, gas and ion separation, biosensors, proton conductors, lithium-based batteries and super-capacitors. Unlike the pores of carbon nanotube membranes, which have fixed sizes, the pores of graphene oxide membranes-that is, the interlayer spacing between graphene oxide sheets (a sheet is a single flake inside the membrane)-are of variable size. Furthermore, it is difficult to reduce the interlayer spacing sufficiently to exclude small ions and to maintain this spacing against the tendency of graphene oxide membranes to swell when immersed in aqueous solution. These challenges hinder the potential ion filtration applications of graphene oxide membranes. Here we demonstrate cationic control of the interlayer spacing of graphene oxide membranes with angstrom precision using K+, Na+, Ca2+, Li+ or Mg2+ ions. Moreover, membrane spacings controlled by one type of cation can efficiently and selectively exclude other cations that have larger hydrated volumes. First-principles calculations and ultraviolet absorption spectroscopy reveal that the location of the most stable cation adsorption is where oxide groups and aromatic rings coexist. Previous density functional theory computations show that other cations (Fe2+, Co2+, Cu2+, Cd2+, Cr2+ and Pb2+) should have a much stronger cation-π interaction with the graphene sheet than Na+ has, suggesting that other ions could be used to produce a wider range of interlayer spacings.
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