Lanthanide transport in angstrom-scale MoS 2 -based two-dimensional channels

镧系元素 离子 埃 化学物理 水溶液 分子动力学 离子运输机 镧系收缩 化学 材料科学 纳米技术 结晶学 物理化学 计算化学 有机化学
作者
Mingzhan Wang,Qinsi Xiong,Maoyu Wang,Nicholas H. C. Lewis,Dongchen Ying,Gangbin Yan,Eli Hoenig,Yu Han,One‐Sun Lee,Guiming Peng,Hua Zhou,George C. Schatz,Chong Liu
出处
期刊:Science Advances [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:10 (11) 被引量:4
标识
DOI:10.1126/sciadv.adh1330
摘要

Rare earth elements (REEs), critical to modern industry, are difficult to separate and purify, given their similar physicochemical properties originating from the lanthanide contraction. Here, we systematically study the transport of lanthanide ions (Ln 3+ ) in artificially confined angstrom-scale two-dimensional channels using MoS 2 -based building blocks in an aqueous environment. The results show that the uptake and permeability of Ln 3+ assume a well-defined volcano shape peaked at Sm 3+ . This transport behavior is rooted from the tradeoff between the barrier for dehydration and the strength of interactions of lanthanide ions in the confinement channels, reminiscent of the Sabatier principle. Molecular dynamics simulations reveal that Sm 3+ , with moderate hydration free energy and intermediate affinity for channel interaction, exhibit the smallest dehydration degree, consequently resulting in the highest permeability. Our work not only highlights the distinct mass transport properties under extreme confinement but also demonstrates the potential of dialing confinement dimension and chemistry for greener REEs separation.

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