Мембраны из оксида графена с полидопамином и управляемым межслоёвым зазором

Слоистые мембраны из оксида графена (GOM) демонстрируют исключительные возможности для высокопроизводительного просеивания воды, ионов и молекул, что открывает трансформационный потенциал в экологической и энергетической областях. Тем не менее достижение GOM с субнанометровым межслоёвым зазором и субångström‑регулируемостью при сохранении структурной прочности для быстрого и селективного переноса ионов по-прежнему представляет существенную проблему. В настоящей работе представлены композитные GOM, подпёртые полидопамином, с настраиваемым и стабильным межслоёвым зазором, обеспечивающие управляемый зазор до 5,9 Å в сухом состоянии и способные просеивать гидратированные ионы рубидия (Rb+) и калия (K+), размеры которых в воде различаются менее чем на 0,1 Å, достигая коэффициента разделения Rb+/K+ равного 5 320. Эти композитные GOM были получены с использованием метода разделения временных шкал сборки допамина и последующих реакций. Конкретно, изготовление GOM использует тот факт, что наноконфайнованная вода имеет более низкую температуру замерзания, чем объёмная вода, так что межслоёвый зазор регулируется быстрой сборкой допамина в наностолбики, инициируемой наноконфайнованной жидкой водой в то время как окружение находится в состоянии объёмного льда. Процесс сборки можно остановить в любой момент посредством дальнейшего понижения температуры для настройки и фиксации межслоевого зазора. Впоследствии GOM фиксируется путём более медленных химических реакций, включая полимеризацию молекул допамина и ковалентное связывание в определённых кислородсодержащих участках поверхности оксида графена, при этом остаётся достаточно субнаноразмерных каналов в графене для транспорта с высоким потоком. Мембраны обеспечивают непрерывное производство пресной воды в течение 30 дней при проницаемости воды 67.9 L m−2 h−1 bar−1, что на 1–2 порядка выше, чем у традиционных мембран. Таким образом, полидопамин-подпёртые композитные мембраны из оксида графена с настраиваемым и стабильным межслоёвым зазором способны просеивать гидратированные Rb+ и K+ и обеспечивать непрерывное производство пресной воды на высоком уровне.