Desalination is one of the effective methods to deal with shortage of fresh water. Various ions and pollutants present in seawater can be effectively removed by membrane process. Commercialized membranes are generally based on polymers; however, their mechanical and chemical stability is inferior, so that membrane performance cannot be maintained over a long period of time. To deal with this problem, graphene oxide (GO) based membranes are considered as a promising candidate for desalination owing to excellent chemical and mechanical properties as well as a prospect of mass production. However, due to the hydrogen bonds between oxygen functional groups and water molecules, the channel size cannot be steadily retained, allowing small ionic species to penetrate the GO membrane. To solve this problem, the nanochannel of the GO membrane can be controlled via intercalation of a certain cation such as potassium between GO layers, which can efficiently inhibit the diffusion of other cations with comparable diameter. However, it is difficult to maintain the intercalated cations within the GO membrane during desalination where external pressure is applied. Here, we intercalated dibenzo 18-Crown-6, which can strongly bind with potassium ions, to prevent the leakage of potassium ions from GO nanochannels. We found that the complexes between potassium ions and DB18C6s make sub-nanochannels between the GO nanochannel, controlling the permeation of cations. Furthermore, we discovered that cations can be tightly retained in the GO membrane due to DB18C6s, and the salt rejection and water permeance can be regulated depending on the intercalated amount of crown ethers between GO nanosheets. It is expected that this finding could be contributed to GO membrane-based applications, such as water desalination, lithium-ion batteries and molecular sieving.
해수 담수화는 증가하는 담수 사용량을 충족시키기 위한 방법들 중 하나인데, 해수에 포함된 이온들을 분리막을 이용하여 제거할 수 있다. 하지만, 고분자 기반 상용 분리막은 기계적 및 화학적 안정성이 떨어져 장기간 동안 그 성능을 유지하지 못해서, 대체 물질을 이용한 막 연구가 진행되고 있다. 산화 그래핀 기반 막은 우수한 기계적, 화학적 안정성과 대량 생산이 가능하다는 장점으로 많은 관심을 받고 있다. 하지만, 산화 그래핀과 물 분자 사이의 형성된 수소 결합은 막의 확산 채널 크기를 팽창시켜서, 나트륨과 같이 작은 이온들은 막을 쉽게 통과하게 된다. 이 문제를 해결하기 위한 방법으로 산화 그래핀 막의 채널 속에 특정 크기의 양이온을 삽입하면, 다른 양이온들의 확산을 억제하는 연구 결과가 있다. 하지만, 담수화 공정에서는 높은 압력이 분리막에 가해지기 때문에, 양이온을 삽입하더라도 채널 내부에서 유지되지 못한다. 본 학위 논문에서는 가압 공정에서 산화 그래핀 막에서 좁은 채널을 형성하는 칼륨 이온들이 유지하기 위해, 칼륨 이온과 안정적인 복합체를 형성하는 크라운 에터 분자를 삽입하였다. 형성된 복합체는 산화 그래핀 막 채널에서 이온과 물의 이동을 제어할 수 있어서, 산화 그래핀 막 보다 더 높은 염 제거 효율을 보였고, 동시에 적절한 물 투과도를 얻을 수 있다는 것을 확인하였다.
