《Nature Communications》高滲透性亞納米層狀MoS2薄膜

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全球飲用水日益增長的需求是全球面臨的主要挑戰,要想長期可持續生活必須解決飲用水問題。雖然地球上有大量水,但絕大多數(> 98%)是不可飲用的形式(例如,海水,微鹹水或污水)。可行且可持續的解決方案需要新的材料和工藝來有效地從污染源中凈化水,其中包括清除碎屑,生物物質,有機和無機雜質以及各種鹽。其中,最具挑戰性的雜質是鹽和小的中性有機分子,因為它們的流體動力學尺寸可與水分子媲美,從而使基於尺寸的分離變得複雜。為了解決這些問題,低成本的膜是需要選擇性的阻隔離子和中性物質,但仍然允許水快速運輸。因此凈水技術的提高可以顯著緩解水資源問題,對於人類可持續發展具有重要意義!


近年來,先進的納米材料已成為水凈化新技術的前沿。例如,超薄碳基二維(2D)材料,如石墨烯和氧化石墨烯(GO),由於其機械/熱/化學穩定性、氣孔可控和化學功能可控,是很好的膜候選材料。由於氧化石墨烯膜的低成本和可製造性,已經對其進行了廣泛的研究。氧化石墨烯膜是典型的多層膜,運輸發生在堆積的氧化石墨烯片層之間,以及通過片層內部或之間的任何孔隙或缺陷。決定膜性能的層間間距是通過交聯、環氧樹脂澆鑄、電、預用膜在各種鹽中浸泡數周來控制的。儘管這些膜很有潛力,但也存在一些局限性:(1)膜在水中發生溶脹,由於層間間隔增加而降低了離子選擇性;(2)由於水與石墨烯表面官能團之間的摩擦式相互作用,導致水通量減少;(3)在因溶脹或溶解而失效或力學失效前使用壽命有限。


二維薄膜由於其對物質具有優異過濾性能而受到了廣泛的關注。二硫化鉬(MoS2)層狀膜在水性環境中表現出比其廣泛研究的基於石墨烯膜優越的穩定性。然而,諸如高鹽度水中離子去除率低,水通量低以及隨時間變化的穩定性低等挑戰阻礙了其作為可行技術的潛在應用。


近日,美國東北大學Meni Wanunu課題組報告了具有一到兩層厚多孔納米片的複合層狀MoS2膜。這些膜具有多孔網路結構,並且具有可調節的表面電荷、孔徑和層間間距。在正向滲透中,這種膜在高鹽度下會阻隔超過99%的鹽,而在反滲透中,小分子有機染料和鹽會被有效過濾。最終,這種膜可穩定運行一個月以上,這意味著它們在商業凈水應用中具有很大潛力!這項研究工作以「High permeability sub-nanometre sieve composite MoS2 membranes」為題發表在國際頂級期刊《Nature Communications》上。

論文鏈接:

https://www.nature.com/articles/s41467-020-16577-y

《Nature Communications》高滲透性亞納米層狀MoS2薄膜


《Nature Communications》高滲透性亞納米層狀MoS2薄膜

圖1. 多孔MoS2納米片


《Nature Communications》高滲透性亞納米層狀MoS2薄膜

圖2.層間排列,孔徑,納米片層間距對脫鹽率的影響


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圖3 連續操作下的脫鹽率和穩定性


《Nature Communications》高滲透性亞納米層狀MoS2薄膜

圖4阻隔性能比較


《Nature Communications》高滲透性亞納米層狀MoS2薄膜

圖5 離子過濾的亞納米通道


綜上所述,作者報道了一種簡單且可大規模製備的方法,以創建具有可控納米尺寸的多孔MoS2 複合材料薄膜,研究發現其具有超高的水滲透率值和非常高的離子選擇性。該膜以反滲透(RO)模式有效去除了海水中常見的一價和二價鹽,它們還可以高效去除RO模式下的NaCl和一系列小的有機分子。此外,與商業和最先進的實驗室膜相比,這種膜可承受氯氣侵蝕,並且這種膜可穩定運行一個月以上,顯示了其卓越的性能和耐用性。(文:one end)


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