能夠辨別不同堿金屬離子的篩膜對能源、環境和生命科學等許多技術都很重要。最近，二維 (2D) 材料已被廣泛探索，用于創建具有埃級通道的篩膜。然而，由于相同的電荷和相似的水合尺寸，大多數層壓膜通常表現出較低的選擇性 (<10)。在此，我們報告了一種簡便且可擴展的方法，用于通過雙重接枝陽離子和防水二甲基硅氧烷 (DMDMS) 分子來功能化氧化石墨烯 (GO) 層壓板，以實現對 Cs+/Li+ 和 K+/Li+ 離子對的傳輸約 50 和約 20 的高選擇性，超過了許多最先進的層壓膜。對堿金屬離子的選擇性增強可歸因于雙重影響：(i) 入射陽離子的水合殼和防水 DMDMS 之間的強疏水相互作用； (ii) 有效篩選阻礙選擇性的靜電相互作用。
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圖 1. GDM 的制造和表征。（a）一步修飾下在 GO 納米片表面接枝 DMDMS 分子合成 GD 納米片的示意圖。（b）組裝 GDM 的形成過程說明。（c）多孔 PET 支架支撐的 GDM 照片。（d）GDM 的 SEM 橫截面圖像。（e）GM、液態 DMDMS 和 GDM 的 FTIR 光譜。（f）GDM 的 XPS C 1s 光譜。（g）GM 和 GDM 的 XRD 圖案。
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圖 2. GDM 的潤濕性和離子傳輸特性。（a）GM 和 GDM 的力-距離曲線。黑色箭頭表示測量方向。插圖：粘附力測量過程中水滴每個階段的照片。比例尺，3 毫米。（b）GM 和 GDM 的水接觸角和水粘附力。誤差線表示三次重復實驗的標準偏差。（c）用于測量跨膜離子傳輸的實驗裝置示意圖。（d）在 0.1 M LiCl、NaCl、KCl、RbCl 和 CsCl 電解質中記錄的 GDM 的 I-V 曲線。（e）GDM 的電導率和選擇性比。
圖3. 電荷屏蔽 K+@GDM 的離子傳輸性能。 (a) 浸入 0.1 M LiCl、NaCl、KCl、RbCl 和 CsCl 和純水中后的 K+@GDM 的 XRD 圖案。 (b) 通過電泳光散射 (ELS) 測量在中性 pH 下 GM、GDM 和 K+@GDM 的 Zeta 電位。 (c) 在不同濃度 KCl 溶液下由 GDM 和 K+@GDM 制成的埃級通道的電導率。 為了區分，Rb+ (6.58 Å) 和 Cs+ (6.58 Å) 的 DH 分別繪制為 6.59 和 6.57 Å。 實線由支持信息中詳述的空間擴展表面傳導模型擬合。 (d) 0.1 M 氯化物溶液下 GDM 和 K+@GDM 的電導率。 實心方塊表示鹽的體積電導率。 紫色虛線是引導眼睛的。 （e）K+@GDM 的選擇性比率。誤差線來自三個獨立樣本。
圖 4. 堿金屬離子選擇性傳輸機制。（a）濃度梯度（ΔC = 10）下的漂移擴散實驗裝置示意圖。紅色箭頭表示離子傳輸路徑。（b）各種堿金屬離子溶液的 I-V 曲線。插圖：所研究鹽的測量值 Em。（c）GM、Na+@GDM 和 K+@GDM 的遷移率 μ+/μ– 與 DH 的關系。空心方塊表示堿金屬離子的水合能。紅色虛線是眼睛的引導。（d）K+@GDM 內部的遷移率與 DH 的關系。藍色實心方塊和空心菱形分別表示本體中堿金屬離子和 Cl– 的遷移率。黑色實線和虛線是眼睛的引導。誤差線表示三個獨立樣本的標準偏差。
相關科研成果由中國地質大學Pengcheng Gao，澳門大學Pengzhan Sun等人于2024年發表在Nano Letters（https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c03246）上。原文：Effectively Sieving Alkali Metal Ions Using Functionalized Graphene Oxide Membranes by Exploiting Water-Repellent Interactions
原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c03246
轉自《石墨烯研究》公眾號
