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Tuning the Charge and Hydrophobicity of Graphene Oxide Membranes by Functionalization with Ionic Liquids at Epoxide Sites

材料科学 表面改性 石墨烯 环氧化物 氧化物 离子液体 化学工程 离子键合 烷基 分子动力学 离子 有机化学 纳米技术 化学 计算化学 催化作用 工程类 冶金 生物化学
作者
Shuai Tan,Difan Zhang,Manh‐Thuong Nguyen,V. Shutthanandan,Tamás Varga,Roger Rousseau,Grant E. Johnson,Vassiliki‐Alexandra Glezakou,Venkateshkumar Prabhakaran
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (16): 19031-19042 被引量:20
标识
DOI:10.1021/acsami.2c02366
摘要

Functionalization of graphene oxide (GO) membranes is generally achieved using carboxyl groups as binding sites for ligands. Herein, by taking advantage of the ability of imidazolium-based ionic liquids (ILs) to undergo an epoxide ring-opening reaction, a new approach of GO modification was established, in which ILs were bonded to the abundant epoxides on GO without sacrificing the carboxyl groups. Computational methods confirmed this unique configuration of ILs on GO, which enabled the dispersion of IL/GO flakes in water for facile casting into laminate membranes. Compared with neat GO, the ILs in IL/GO membranes served as spacers that substantially reduced the multi-valent cation mobility, simultaneously facilitated ion desolvation, and increased the water flux across the membrane. Our studies found that the higher separation efficiency of IL/GO membranes may be attributed to the synergistic modification of the hydrophobicity and surface charge. Specifically, the protonated nitrogen of the imidazolium cations altered the surface charge of GO, thereby generating electrostatic repulsion that enhanced the selectivity of cation rejection. On the other hand, the increased length of the alkyl chains bound to the imidazolium rings was found to increase the hydrophobicity of GO, which, in turn, aided the fine-tuning of the water desolvation/transport dynamics at the GO/IL interface to achieve a high water flux. Additionally, the water retention was reduced on the hydrophobic planes, which inhibited GO swelling during aqueous separations. Molecular dynamics simulations revealed increased water diffusivity when ILs were intercalated within GO layers. We establish that without requiring a high energy input, functionalization of GO membranes with ILs may be a promising approach to achieve efficient ion separation and critical material recovery.
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