不同分离系统中氧化石墨烯膜的一价离子选择性差异：微观机制解析

《Environmental Science & Technology》：Monovalent Ion Selectivity Incomparability of Graphene Oxide Membrane in Different Separation Systems: A Microscopic Understanding

　　

摘要

精确的单价离子筛选对于水处理和资源回收至关重要。然而，基于扩散和电驱动的膜过程所表现出的离子选择性往往不一致，且由于对机制理解不清而难以解释。在此，我们通过实验与分子动力学模拟相结合的方式，揭示了在不同驱动力作用下氧化石墨烯纳米通道中单价离子选择性的不同微观机制。在浓度梯度驱动的扩散过程中，离子选择性主要由水合作用带来的影响（即部分离子脱水以及脱水引发的离子与膜之间的相互作用）以及阳离子与阴离子之间的相互作用所决定。具体而言，在无缺陷的氧化石墨烯纳米通道中，锂离子的水合能和电荷密度均高于钠离子，因此其水合壳更为完整，阳离子与阴离子之间的相互作用也更强，这些因素限制了离子的分配但降低了传输阻力，从而导致锂离子与钠离子的选择性比为3.3。相反，在电场驱动的电迁移过程中，由于阳离子与阴离子之间的结合增强，尤其是锂离子与氯离子之间的强结合，既抑制了阳离子的分配也降低了其迁移速度，从而形成了以离子结合为主导的选择性，此时锂离子与钠离子的选择性比为0.4。这些结果表明，离子选择性并非膜本身的固有属性，而是受驱动力所决定的传输机制的强烈影响。这项研究解决了不同分离系统中离子选择性差异长期存在的问题，并为设计具有特定离子选择性的下一代膜提供了理论指导。