Scalable Graphene-Based Membrane for Ionic Sieving with Ultrahigh

0 downloads 0 Views 1MB Size Report
Effects of excess hydronium or hydroxide ions. 7. pH-dependent ... are ionic concentrations in the feed and permeate chambers, .... electrical double layer has a higher density of counterions and a lower density of co-ions than the bulk. In.
Supporting Information    Scalable Graphene‐Based Membrane for Ionic Sieving  with Ultrahigh Charge Selectivity    Seunghyun Hong1, Charlotte Constans1,2,, Marcos Vinicius Surmani Martins1,3, Yong Chin Seow1,  Juan Alfredo Guevara Carrió1,4, and Slaven Garaj1,2,5,6 *  1

Centre for Advanced 2D Materials, National University of Singapore, Singapore 117542  Department of Physics, National University of Singapore, Singapore 117551  3 Department of Materials Science and Engineering, National University of Singapore, Singapore 117575  4 Engineering School, Presbyterian University Mackenzie, São Paulo, 01302‐907, Brazil   5 NUS Nanoscience & Nanotechnology Institute, National University of Singapore, Singapore 117581  6 Department of Biomedical Engineering, National University of Singapore, Singapore 117583    *Correspondence to: [email protected]   2

    Table of Contents:   1. Physiochemical characterizations of graphene oxide nanosheets  2. Interplanar spacing expansion of graphene oxide membranes in water  3. Quantitative analysis of ion selectivity across the membranes  4. Calculation of ionic conductance and surface charge density  5. pH‐dependent ionic conductances and surface charge densities  6. Effects of excess hydronium or hydroxide ions  7. pH‐dependent drift‐diffusion measurements  8. Mean field model for ion transport in the nanochannels    9. Validation of the analytical continuum models  10. Ion strength‐dependent ionic conductance and cation permselectivity  11. Voltage drop across bare SiNx scaffold        S1 

1. Physiochemical characterizations of graphene oxide nanosheets 

  Figure  S1  Characterizations  of  GO  nanosheets  (a)  AFM  map  and  the  height  profile  for  monolayer  GO  nanosheet,  investigated  by  atomic  force  microscopy.  (Dimension  Fastscan,  Bruker)  Two‐dimensional  GO  nanosheets at ambient conditions are ~1 nm thick with mean planar width of 1 μm. (b) Fourier Transform  Infrared spectrum (FTIR) of air‐dried GO laminates, displaying diverse functionalities such as (C‐O) Epoxy at  1260 cm‐1, (O‐H) or C‐O Carboxy at 1390 cm‐1, (C=O) Carbonyl and Carboxyl at 1718 cm‐1, and O‐H Hydroxyl  at 3431 cm‐1 1      

2. Interplanar spacing expansion of graphene oxide membranes in water   

    Figure  S2  Interplanar  spacing  expansion  of  GO  membranes  in  water  (a)  X‐ray  diffraction  (XRD)  spectra  comparison  of dried and  wet GO films. The  inter‐plane  distance  of GO  reflection  (100), was  determined  from  a  Rietveld  refinement  using  conventional  XRD  data  and  program  GSAS.  Using  the  space  group  P6/mmm, a Rietveld refinement was  performed with program GSAS (General Structure Analysis System)  until  discordance factors R  wp  = 7.00 %,  R  p =  5.46 %, R  Bragg  = 6.33 %  and χ2 =  1.138  2. The obtained  cell  parameters are a = b = 10.517(3) Å and c = 1.9(1) Å. The investigated interlayer spacing of dried and wet  GO by XRD is around 8.5754 Å and 12.1615 Å, respectively. (b) Respective height profile of dried and wet  GO films, measured by in‐situ liquid AFM shows similar increase in interlayer spacing after wetting. 

S2 

3. Quantitative analysis of ion selectivity across the membranes  To  describe  ionic  transport  across  the  membrane,  driven  by  voltage  and  concentration  gradients,  we  assume that ions move across the membrane independently and that the electric potential drops linearly  across  the  membrane.  Using  Boltzmann‐Planck  framework,  we  derived  so  called  Goldman‐Hodgkin‐Katz  equations3, connecting the current density J and membrane potential Vm to the concentration and voltage  gradient across the membrane:    



∆ ∆

     (1) 

           (2) 

total

ln

                     (3) 

where    is ionic current density for cations (  ), and anions ( ), and  total  is the total current   is  membrane  permeability  ( ∙ ) and   is  the  valence for  each  density  across  the  membrane.  ionic  species.   and     are  ionic  concentrations  in  the  feed  and  permeate  chambers,  respectively.  ΔV is  the  applied  voltage,  Vm  is  the  membrane  potential,  R  is  the  universal  gas  constant  ),  9.6485 10 C ∙ mol is  Faraday’s  constant,  T  is  the  temperature.  The  (8.314 J ∙ ⁄ intrinsic  ionic  diffusivity  within  the  membrane  could  be  deduced  when  ion’s  partition  coefficient   is  known;   is  membrane  thickness.  The  current  density  is  calculated  from  ionic  current,  where  effective  area  of  the  membrane  is  calculated  as  the  geometric  mean  of  the  top  and  the  bottom  aperture areas of the GO membrane.    We  could  directly  deduce  the  permeability  ratio  of  the  ions  (and  ion  selectivity)  from  the  membrane  potential  .  We  first  measure  the  zero  current  potential  ,  the  potential  for  which  the  total  current  through the membrane is zero 4‐6. We could now calculate the membrane potential by subtracting from    the redox potential  redox :     redox        (4)    The redox potential arises from the unequal chloride concentration at the two Ag/AgCl electrodes, and it  given the following relation:    redox

ln

      (5) 

  where  /    and  /  are  the  activity  coefficient  and  concentration  of  the  chloride  ion  on  the  high  concentration side (H) and the low concentration side (L) of the membrane.     To compare our results with previous experiments, we calculated molar flux density or permeation rate, p  (mol‐cm‐2‐h‐1), which is determined by the classical solubility‐diffusion model 3 as:      (6) 

S3 

4. Calculation of ionic conductance and surface charge density    The  ionic  conductance  (G0)  of  the  membrane  is  deduced  from  the  slope  of  I‐V  curves,  measured  in  the  Ohmic  regime  at  voltages  between  ‐10  to  +10  mV,  for  equal  salt  concentrations  on  both  sides  of  the  membrane.  We  put  forward  the  simplest  model  that  could  predict  variation  of  the  membrane’s  conductivity with the surface charge on the GO flakes, without taking any assumption of the chemistry of  GO flakes nor fluidic properties. We assume that the surface charge on the nanochannel walls increases  the conductivity of nanochannels by increasing the local concentration of the counterions, to preserve the  charge neutrality within the channel. The total conductivity of the channel is now given by:  K

Cl‐



2

K

⁄   

(7) 

where the first part of the equation corresponds to the Ohmic conductance due to the bulk concentration  of ions, and the second part is the contribution from the excess counterions;  q is the elementary charge;  K  and  Cl‐  are the ionic mobilities of cations and anions, respectively;  NA is Avogadro’s number; cB is the  electrolyte’s  bulk  concentration;  σS  is  the  surface  charge  density;  w  and  l  are  the  width  and  length  of  channel, respectively. Here the left term is the surface‐charge governed conductance, which dominates at  low  salt  concentration, and  the  right  term is  the bulk  conductance dominant  at  high concentration.  The  approximated length of the single nanochannel across the membrane is derived from the thickness of the  membrane.  7, 8  The  width  of  the  single  channels  is  approximated  to  be  the  lateral  sizes  of  the  graphene  oxide nanosheets. The G0 can be calculated by dividing the calculated Ohmic conductances by the number  of  channels.  To  obtain  the  number  of  channels,  we  assume  that  measured  conductance  at  high  1M where the surface charges are mostly screened is determined by bulk  concentration regime i.e.  behaviors.   

5. pH‐dependent ionic conductances and surface charge densities  Figure S4b illustrates the surface charge densities of graphene oxide nanochannels, which were calculated  using  the  ionic  conductances  obtained  at  different  pH  values  and  molarities.  (Figure  S4a)  The  vanishing  COO‐  surface  group  due  to  the  protonation  at  low  pH  leads  to  a  reduction  in  the  surface  charge.  Dissociation of other groups present on the GO sheets also contributes to the pH‐regulated surface charge  variation. 

  Figure S3 (a) Ionic conductances across the single nanochannel of graphene oxide membranes, measured  at three different KCl concentrations in the pH ranges of 2 to 12 (b) Surface charge densities as functions of  salt concentration and pH in KCl. The charge densities were expressed in terms of the amount of charged  carriers per area (e/μm2).   

S4 

6. Effects of excess hydronium or hydroxide ions  The  ionic  currents  associated  with  the  excess  hydronium  (H3O+)  or  hydroxide  (OH‐)  ions  are  subtracted  from  all  drift‐diffusion  and  conductance  measurements  since  those  excess  species  can  significantly  contribute to the ionic conductance as shown in Figure S4a. In addition, we observe the increase of the  interlayer spacing at pH 11.7 by around 0.3 nm compared to those below pH 10, as previously reported.  (Figure S4b) 9 

    Figure  S4  (a)  pH‐dependent  current‐voltage  transport  of  electrolytes  exclusive  of  solute  KCl.  Highly  deprotonated nanochannel by hydroxide ions (OH‐) in KOH aqueous solution is exhibiting highly rectifying  current profile compared to that of HCl. Inset is the surface charge density of GO channels evaluated at pH  2.77  and  11.26,  respectively.  (b)  pH‐dependent  variation  of  the  interstitial  spacing,  obtained  from  membranes immersed in different pH solutions using in‐situ AFM analysis.     

7. pH‐dependent drift‐diffusion measurements 

  Figure  S5  (a  and  b)  Current‐voltage  transport  behaviors  under  asymmetric  conditions  (10‐1  M  KCl  and  varying pH on the feed chamber, and 10‐2 M and constant pH of ~ 6 on the permeate chamber). The ionic  currents  associated  with  the  excess  hydronium  (H3O+)  or  hydroxide  (OH‐)  ions  are  subtracted  at  each  different pH.         

S5 

8. Mean field model for ion transport in the nanochannels   

  Figure  S6  Schematic  of  the  graphene  oxide  nanochannel  presumed  as  a  rectangular  channel  with  dimensions of effective height, hG, channel length, Lchannel, and channel width, 2R (or wG).   When  the  charged  surface  is  immersed  in  an  electrolyte,  the  electrostatic  surface  potential  created  by  surface charges attracts counter‐ions and repels co‐ions. The region referred as the diffuse region of the  electrical double layer has a higher density of counterions and a lower density of co‐ions than the bulk. In  this regime, the electrical potential decays exponentially with distance given by Debye length (λD=κ‐1) 10    /



     (8) 

  )  is  the  dielectric  constant  or  where   is  the  number  density  of  ions  of  the  type  i  in  the  bulk,  ε  (= permittivity, and kB is the Boltzmann constant. In a thin region between the surface and the diffuse layer,  there is a layer of bound or tightly associated counterions, generally defined as the Stern layer.   This  region  is  of  the  order  of  one  or  two  solvated  ions  thick  and  also  referred  as  the  bound  part  of  the  double layer. In this region, it is assumed that the potential falls linearly from the surface to the interface  between the diffuse layer and the Stern layer.   A graphene oxide nanocapillary is modeled as a rectangular channel formed by two separated sheets of  graphene oxide separated by the distance h. The channel is delimited by the pristine graphene on top and  bottom, and by oxidized regions of graphene on the sides. The Stern layer takes into account the finite size  of the charged‐surface functional groups. An electric field is applied along z‐axis. The following equations  are solved along the x‐axis. We consider there is no friction between the water and top/bottom layers of  pristine graphene.    The surface potential ( on the charged walls in the electrolytes satisfies Poisson‐Boltzmann equation as  below      ∑      (9)         (10) 

S6 

By combining above two equations,     sinh

ɸ

ɸ

)    (11) 

  Stern layer where showing linearly varying potential can be obtained as below with regard to boundary  .  0 0 and conditions            (12)    In order to determine the surface charge density on the walls and the potential (ΦD), chemical reactions  occurred on the oxidized surface regime, corresponding to the protonation of carboxyl or hydroxyl groups  as below, were took into account 11.    GO  + H+ ↔ GOH  GOH + H+ ↔ GOH     The equilibrium equations of the above reactions are defined by    10

10

 and 

  where  the  hydrogen  activity  at  the  surfaces  is [H+] 0  = [H+] bulk 



ɸR

 

 and  Ni  is  the  density  of  surface 

sites.    By  taking  into  account  the total surface density of  active sites and  surface  charge  density, the  Behriens‐ Grier equation could be obtained 12    10

exp

2

exp

0   (13) 

10

  ∑ . Here, pK and pL  where the total surface density of activity sites (Г) is ∑ don’t  correspond  to  bulk  values  for  protonation  of  carboxyl  and  hydroxyl  groups,  they  are  effective  equilibrium constants chosen as to match the experimental results.    And the Grahame equation was applied to calculate the surface charge density associated with the double  layer potential. 13    sinh      (14)  σ   ,  it  gives  the  surface 

By  solving  equations  (12)  and  (13)  self‐consistently  with  regard  to 

charge  density and the surface density of each species Ni as a function of pH, electrolyte concentration,  and the four chemical parameters, Г, δ, pK and pL.     In order to model the conductances across the membranes, the ion distribution and velocity field in the  nanochannels was calculated with the Navier‐Stokes equation and Boltzmann distribution, assuming that  inertial and pressure terms are negligible and a no‐slip condition at x=R. 14      and   ∙

    (15)                                (16) 

S7 

wherein  inertial  and  pressure  terms  are  negligible  compared  to  viscosity  and  electrostatic  force,  and   is given. Therefore:     0     (17)    with regard to the boundary conditions (no‐slip boundary condition),  0 0 and  R 0    We obtain the solution as            (18)    The current is produced by the drifting of ions under the electric field and by the flow of water carrying  the ions    2                (19)  2 Finally, we could obtain the conductance as 

      (20)     with 



     

9. Validation of the analytical continuum models  In order to validate the model as shown in Figure S6, the analysis was also carried out with a rectangular  channel  possessing  charge  polarity  on  planar  surfaces  and  a  cylindrical  pore,  respectively.  Figure  S7  is  demonstrating  the  nanochannel  with  charge‐polarized  planar  sheets.  The  highly  concentrated  counter‐ ions between two polarized nanosheets resulted in overestimated ionic conductance under electric field  gradients  compared  to  experimental  values  at  different  pH  and  molarities.  Deviation  in  the  ionic  conductance  indicates  that  dominant  conducting  pathways  of  ions  in  the  graphene  oxide  membranes  should  consist  of  but  two  dimensional,  pristine  graphene  nanocapillaries  with  partially  charged  regions,  not fully functionalized channels. In addition, the investigation was carried out for a quasi‐one dimensional  cylindrical  nanochannel  with  surface  charges  on  circumference  of  cylindrical  channel.  (Figure  S8)  These  models are totally inconsistent with experimental observations.    

  Figure  S7  (a)  Analytical  model  with  a  rectangular  pore  possessing  the  surface  charges  on  the  top  and  bottom‐sheets.  (b  and  c)  Calculated  molarity  and  pH‐dependent  ionic  conductances,  respectively,  by  applying the parameters:   0.6 nm‐2, R = 25 nm, hG = 0.9 nm, δ = 1.3 nm, pK = 0, pL = 6, L channel = 0.3 mm,  ‐7 2  =  3.1  x  10   m /V‐s,  =  5.5  x 10‐8  m2 /V‐s.  Solid  lines  show  the  calculated  results  from  the  analytical  model,  and  the  filled  markers  in  Figure  S8b  and  c  are  corresponding  to  experimentally  obtained  data  shown in Figure S3a and Figure 3d, respectively 

S8 

 

 

  Figure  S8  (a)  Analytical  model  of  a  cylindrical  nanochannel  with  surface  charges  on  circumference  of  cylindrical  channel.  (b  and  c)  Calculated  molarity  and  pH‐dependent  ionic  conductance,  respectively,  by  applying the parameters:   0.6 nm‐2, R  pore = 0.45 nm, δ = 0.1 nm, pK = 0, pL = 6, L  pore = 0.05 mm,  =  ‐7 2  3.1 x 10  m / V‐s,  = 5.5 x 10‐8 m2 / V‐s. Solid lines show the calculated results from the analytical model,  and  the  filled  markers  in  Figure  S9b  and  c  are  corresponding  to  experimentally  obtained  data  shown  in  Figure S3a and Figure 3d, respectively.   

10. Ion strength‐dependent ionic conductance and cation permselectivity   

    Figure  S9  (a)  Current‐voltage  curves  measured  at  different  salt  concentrations  at  around  pH  5.5.  Inset  shows  the  rectification  factor RF as  a  function  of  molarity,  describing  the relative  ratio  of the measured  currents  at  scan  voltages  of  ±  80  mV.  (b)  Current‐voltage  curves  obtained  from  different  feed  concentrations  and  the  constant  concentration  gradient  of  CHigh  /  CLow=  10  at  pH  5.5.  Inset  shows  the  increasing  membrane  potentials  with  dilution  of  the  electrolytes  (feed  molarity  cF),  associated  with  the  enhancement of the cation selectivity.                       

S9 

11. Voltage drop across bare SiNx scaffold 

  Figure S10 Ionic current across the bare SiNx membrane without aperture (green line), bare SiNX scaffold  with  aperture  (red  line),  and  GO  membrane  with  SiNX  scaffold  (blue  line).  The  bare  SiNX  scaffold  contributes 10% or less to the overall resistance of the GO/SiNx membrane for KCl salt, and even less for  the  other  ionic  species.  Bare  SiNx  membrane  without  aperture  is  completely  impermeable  to  ions,  and  does not contribute to measured ionic permeability nor selectivity.                                                       

S10 

References   1. 

Park, S.; Lee, K.‐S.; Bozoklu, G.; Cai, W.; Nguyen, S. T.; Ruoff, R. S. ACS Nano 2008, 2, (3), 572‐578. 

2. 

Toby, B. J. Appl. Cryst. 2001, 34, (2), 210‐213. 

3. 

Hille, B., Ionic channels of excitable membranes Ch. 10. Sinauer: Sunderland, Mass., 1984. 

4. 

Bard, A. J.; Faulkner, L. R., Electrochemical methods : fundamentals and applications. Wiley: New  York, 1980. 

5. 

Lakshminarayanaiah, N., Transport phenomena in membranes. Academic Press: New York,, 1969. 

6. 

Kim, D.‐K.; Duan, C.; Chen, Y.‐F.; Majumdar, A. Microfluidics and Nanofluidics 2010, 9, (6), 1215‐ 1224. 

7. 

Joshi, R. K.; Carbone, P.; Wang, F. C.; Kravets, V. G.; Su, Y.; Grigorieva, I. V.; Wu, H. A.; Geim, A. K.;  Nair, R. R. Science 2014, 343, (6172), 752‐754. 

8. 

Nair, R. R.; Wu, H. A.; Jayaram, P. N.; Grigorieva, I. V.; Geim, A. K. Science 2012, 335, (6067), 442‐ 444. 

9. 

Yang, X.; Qiu, L.; Cheng, C.; Wu, Y.; Ma, Z.‐F.; Li, D. Angew. Chem. 2011, 50, (32), 7325‐7328. 

10. 

Morgan, H.; Green, N. G., AC electrokinetics : colloids and nanoparticles. Research Studies Press:  Philadelphia, PA, 2003. 

11. 

Hoogerheide, D. P.; Garaj, S.; Golovchenko, J. A. Phys. Rev. Lett. 2009, 102, (25), 256804. 

12. 

Behrens, S. H.; Grier, D. G. J. Chem. Phys. 2001, 115, (14), 6716‐6721. 

13. 

Israelachvili, J. N., Intermolecular and surface forces : with applications to colloidal and biological  systems. Academic: London, 1985. 

14. 

Schoch, R. B.; Han, J.; Renaud, P. Rev. Mod. Phys. 2008, 80, (3), 839‐883. 

S11 

Suggest Documents