Lamellare MXene‐Membranen für das Ionen‐Sieben mit superausgerichteten Nanokanälen durch das Scheren flüssigkristalliner MXene‐Suspensionen

Abstract

AbstractIonenselektive Membranen sind bei verschiedenen chemischen und physiologischen Prozessen von entscheidender Bedeutung. Zahlreiche Studien dokumentieren Fortschritte bei der Trennung einwertiger/mehrwertiger Ionen, eine effiziente Siebung einwertiger/einwertiger Ionen durch entsprechende Membranen bleibt jedoch aufgrund ihrer gleichen Wertigkeit und ähnlichen Radien eine große Herausforderung. Wir berichten in dieser Arbeit über eine zweidimensionale (2D) MXene‐Membran mit superausgerichteten schlitzförmigen Nanokanälen mit sehr hoher Selektivität für monovalente Ionen, insbesondere für Li+. Die MXene‐Membran wird in Rakel‐/Doctor Bading‐Technik durch Anwendung von Scherkräften auf eine flüssigkristalline (LC) MXene‐Dispersion hergestellt, was die hochgeordnete Stapelung der MXene‐Nanoblättchen ermöglicht. Die erhaltene LC MXene‐Membran (LCMM) weist sehr hohe Selektivitäten für die Trennung von Li+/Na+, Li+/K+ und Li+/Rb+ (≈45, ≈49 und ≈59) auf, kombiniert mit einem schnellen Li+‐Transport mit einer Permeationsrate von ≈0.35 mol m−2 h−1 und übertrifft damit die bekannten Membranen. Theoretische Berechnungen zeigen, dass in MXene‐Nanokanälen das vierfach hydratisierte Li+ in tetraedrischer Geometrie den kleinsten Durchmesser unter den einwertigen Ionen aufweist, was zur höchsten Mobilität beiträgt. Darüber hinaus findet sich die schwächste Wechselwirkung zwischen den hydratisierten Li+‐Ionen und den MXene‐Kanälen, was auch zur schnellen Permeation von Li+ durch die superausgerichteten MXene‐Kanäle beiträgt. Diese Arbeit demonstriert die Fähigkeit von MXene‐Membranen zur Trennung monovalenter Ionen, und bietet gleichzeitig eine einfache und allgemeine scale up‐Strategie zur Herstellung von lamellaren Membranen.