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Electric Field-Driven Ultraefficient Li+/Mg2+ Separation through Graphyne Membrane

电场 纳米孔 离子 渗透 化学 化学物理 石墨 单层 材料科学 物理 化学工程 结晶学 分析化学(期刊) 纳米技术 石墨烯 色谱法 有机化学 工程类 量子力学 生物化学
作者
Jiajia Li,Fang Fang,Yu Zhang,Zhongyang Dai,Jianqiang Hu,Quan‐Quan Zhou,Guobing Zhou,Zhen Yang
出处
期刊:Industrial & Engineering Chemistry Research [American Chemical Society]
卷期号:61 (49): 18080-18089 被引量:13
标识
DOI:10.1021/acs.iecr.2c03252
摘要

The exploration of a new membrane material to achieve ultraefficient separation and recovery of Li+ from salt lake brine is of tremendous importance in consideration of the soaring demand of the lithium resource. Here, we, by utilizing classical molecular dynamics simulations, investigated the selective separations of monolayer graphyne-3 and graphyne-4 membranes to Li+ and Mg2+ under applied electric fields. It is observed that the graphyne-3 membrane displays excellent Li+ selectivity and permeability under the electric field of 0.4 V/nm, with Mg2+ being completely rejected by the triangular nanopores of the graphyne-3 membrane. However, there is no preference for the graphyne-4 membrane to Li+ and Mg2+ since both ions can travel through the triangular nanopores of the graphyne-4 membrane, regardless of external electric field intensities. Our in-depth analysis uncovered that the thorough separation of the graphyne-3 membrane for Li+ and Mg2+ at an electric field of 0.4 V/nm is largely due to its dehydration difference in the second hydration shell. It is found that the dehydration numbers of water molecules around Mg2+ are remarkedly less than the values needed for the ions to cross the nanopores, thus impeding Mg2+ permeation. Besides, we noted that Li+ tends to transport through the graphyne-3 nanopores via random positions, while the migration of Mg2+ is concentrated in the central position. Our findings provide inspiration for the application of the graphyne-3 membrane in high-efficiency extraction and recovery of Li+ from salt lakes.
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