[논문 리뷰] Highly Efficient Ion Rejection by Graphene Oxide Membranes via Ion-controlling Interlayer Spacing

Liang Chen, Guosheng Shi외 14명|arXiv (Cornell University)|2016. 10. 20.

Graphene research and applications참고 문헌 28인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 수화된 이온(예: K+, Ca2+)를 사용하여 층간 간격을 조절함으로써 그래핀 옥사이드(GO) 막이 1 Å까지 감소하는 매우 작은 간격에서 고효율의 이온 제거를 달성할 수 있음을 보여준다. 이 메커니즘은 수화된 이온과 GO의 방향족 고리 사이의 강한 비공유 이온-π 상호작용에 기반하며, 이는 더 큰 이온의 선택적 배제와 팽창 방지를 가능하게 하여, 물 정수 및 에너지 응용 분야에서 정밀한 분자 체질을 실현한다.

ABSTRACT

Because they may provide ultrathin, high-flux, and energy-efficient membranes for precise ionic and molecular sieving in aqueous solution, GO membranes (partially oxidized, stacked sheets of graphene) have shown great potential in water desalination and purification, gas and ion separation, biosensors, proton conductors, lithium-based batteries and super-capacitors. Unlike carbon nanotube (CNT) membranes, in which the nanotube pores have fixed sizes, the pores of GO membranes - the interlayer spacing between GO sheets - are of variable size. This presents a challenge for using GO membranes for filtration. Despite the great efforts to tune and fix the interlayer spacing, it remains difficult both to reduce the interlayer spacing sufficiently to exclude small ions while keeping this separation constant against the tendency of GO membranes to swell when immersed in aqueous solution, which greatly affects the applications of GO membranes. Here, we demonstrate experimentally that highly efficient and selective ion rejection by GO membranes can be readily achieved by controlling the interlayer spacing of GO membranes using cations (K+, Na+, Ca2+, Li+ and Mg2+) themselves. The interspacing can be controlled with precision as small as 1 A, and GO membranes controlled by one kind of cation can exclude other cations with a larger hydrated volume, which can only be accommodated with a larger interlayer spacing. First-principles calculations reveal that the strong noncovalent cation-pi interactions between hydrated cations in solution and aromatic ring structures in GO are the cause of this unexpected behavior. These findings open up new avenues for using GO membranes for water desalination and purification, lithium-based batteries and super-capacitors, molecular sieves for separating ions or molecules, and many other applications.

연구 동기 및 목표

• GO 막의 층간 간격을 제어하여 팽창을 방지하고 정밀한 이온 체질을 가능하게 하는 데 도전하는 것.
• 고정되지 않은 층간 간격으로 인해 일관된 이온 제거가 어려운 문제를 해결하는 것.
• 용액 내 이온이 GO의 층간 간격을 능동적으로 조절하고 안정화시켜 분리 성능을 향상시킬 수 있는지 탐색하는 것.
• GO 막에서 이온에 의해 유도되는 층간 간격 조절 메커니즘을 규명하는 것.
• 이온 제어 기반 GO 막이 고효율의 물 담수화 및 분자 분리에 적용 가능한지 실현 가능성을 입증하는 것.

제안 방법

• 1가 이온(K+, Na+)과 2가 이온(Ca2+, Li+, Mg2+)을 사용하여 GO 막의 층간 간격을 이온 보조로 조절하는 방법.
• X선 회절(XRD)을 통한 층간 간격 측정으로 이온 종류와 간격 감소 간의 상관관계를 분석.
• 수화된 이온과 GO의 방향족 고리 사이의 이온-π 상호작용을 분석하기 위해 최초 원리 밀도 함수 이론(DFT) 계산을 수행.
• 다양한 이온과 이온 용액을 사용하여 이온 제거 성능을 체계적으로 테스트하고 선택성을 평가.
• 다른 이온 조건 하에서 수용성 환경에서의 막 안정성과 팽창 저항성을 평가.
• 수화된 이온 부피와 도달 가능한 최소 층간 간격 간의 상관관계를 설정하여 예측 가능한 관계 수립.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 용액 내 이온을 사용하여 GO 막의 층간 간격을 정밀하게 제어하고 안정화시켜 물 속에서의 팽창을 방지할 수 있는가?
• RQ2 이온-π 상호작용은 GO 막의 층간 간격 조절에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 수화된 이온 부피는 도달 가능한 최소 층간 간격과 이온 제거 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 작은 이온으로 층간 간격을 조절한 GO 막이 더 큰 이온을 선택적으로 제거할 수 있는가?
• RQ5 이온에 의해 유도되는 간격 제어가 GO 막의 이온 및 분자 분리 성능을 얼마나 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 특정 이온(K+ 및 Ca2+)을 사용함으로써 GO 막의 층간 간격을 1 Å까지 정밀하게 조절할 수 있다.
• 수화된 이온과 GO의 방향족 고리 사이의 이온-π 상호작용이 안정적이고 조절 가능한 층간 간격을 가능하게 하는 주요 메커니즘이다.
• 한 종류의 이온으로 조절된 GO 막은 더 큰 수화 부피를 가진 이온을 거를 수 있어 선택적 이온 제거를 입증한다.
• 최소 층간 간격은 수화된 이온 부피와 반비례하며, 이는 막의 체질 성질을 예측 가능한 방식으로 설계할 수 있음을 의미한다.
• 최초 원리 계산 결과, 층간 구조를 안정화시키고 팽창을 방지하는 강한 비공유 이온-π 상호작용이 확인되었다.
• 이 방법은 고유량, 저에너지 소모의 이온 분리가 가능하게 하며, 물 담수화, 배터리, 슈퍼커파시터 등 응용 분야에 잠재력을 지닌다.