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Tuning Pore Size in Graphene in the Angstrom Regime for Highly Selective Ion–Ion Separation

离子 石墨烯 材料科学 选择性 纳米技术 化学物理 扩散 离子运输机 多孔介质 多孔性 化学工程 化学 复合材料 热力学 工程类 有机化学 催化作用 物理 生物化学
作者
Kangning Zhao,Wan‐Chi Lee,Mojtaba Rezaei,Heng‐Yu Chi,Shaoxian Li,Luis Francisco Villalobos,Kuang‐Jung Hsu,Yuyang Zhang,Feng-Chao Wang,Kumar Varoon Agrawal
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
被引量:5
标识
DOI:10.1021/acsnano.3c11068
摘要

Zero-dimensional pores spanning only a few angstroms in size in two-dimensional materials such as graphene are some of the most promising systems for designing ion–ion selective membranes. However, the key challenge in the field is that so far a crack-free macroscopic graphene membrane for ion–ion separation has not been realized. Further, methods to tune the pores in the Å-regime to achieve a large ion–ion selectivity from the graphene pore have not been realized. Herein, we report an Å-scale pore size tuning tool for single layer graphene, which incorporates a high density of ion–ion selective pores between 3.5 and 8.5 Å while minimizing the nonselective pores above 10 Å. These pores impose a strong confinement for ions, which results in extremely high selectivity from centimeter-scale porous graphene between monovalent and bivalent ions and near complete blockage of ions with the hydration diameter, DH, greater than 9.0 Å. The ion diffusion study reveals the presence of an energy barrier corresponding to partial dehydration of ions with the barrier increasing with DH. We observe a reversal of K+/Li+ selectivity at elevated temperature and attribute this to the relative size of the dehydrated ions. These results underscore the promise of porous two-dimensional materials for solute–solute separation when Å-scale pores can be incorporated in a precise manner.

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