Lateral-Size-Dependent Ion Transport Behavior of the MXene Membrane Facilitates Efficient Ion Sieving

离子 二价 层状结构 选择性 渗透 材料科学 离子运输机 离子通道 分子 生物物理学 化学物理 化学工程 纳米技术 化学 结晶学 生物 生物化学 工程类 催化作用 受体 有机化学
作者
Lingzhi Huang,Shiyun Chen,Li Ding,Haihui Wang
出处
期刊:ACS applied nano materials [American Chemical Society]
卷期号:7 (8): 9482-9489 被引量:7
标识
DOI:10.1021/acsanm.4c00919
摘要

Two-dimensional (2D) nanofluidic channels have shown great potential for efficient ion separation due to the synergy of the charge microenvironment and confined 2D planar channels. However, current 2D channels mainly rely on postdecoration with ion-specific recognition molecules, while the regulation of the membrane structure and the role of the channel itself have been overlooked. Herein, we constructed two types of membranes to demonstrate the critical role of building units in 2D lamellar membranes. By tuning the lateral size of MXene nanosheets, we prepared a large-lateral-sized MXene membrane (LMM)(∼5.47 μm) and a small-lateral-sized MXene membrane (SMM)(∼524 nm) to systematically study the ion transport behavior. The results showed that the LMM exhibited preferential transport of monovalent ions (Li+, Na+, and K+) while impeding permeation of multivalent ions (Ca2+, Mg2+, and Al3+), contributing to the selectivity of Li+/Mg2+ ≈ 12. In contrast, the SMM allowed for the fast transport of all monovalent/divalent ions, leading to poor selectivity (e.g., Li+/Mg2+ ≈ 2.3), which could be attributed to the abundant nonselective defects in the SMM. Density functional theory calculations reveal that the weakest interaction between MXene and Li+ determines the selective transport of Li+ over other ions. This work highlights the importance of building defect-free 2D membranes for ion sieving using nondecorated 2D nanofluidic channels.
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