Lucie RIES
Functionalized two-dimensional (2D) MoS2 nanosheets as building blocks for water purification membranes
devant le jury :
– Mme Florence BABONNEAU – Sorbonne Université – Présidente
– M. Guillaume MAURIN – ICG Montpellier – Examinateur
– Mr Aidan MCDONALD – School of Chemistry, The University of Dublin – Rapporteur
– M. Philippe MIELE – ENSC Montpellier – Directeur de thèse
– M. Alain PENICAUD – Centre de Recherche Paul Pascal (CRPP), Bordeaux – Rapporteur
– M. Alessandro SIRIA – LPENS – Examinateur
– M. Damien VOIRY – CNRS Montpellier – Co-directeur de thèse
Abstract:
Membrane separation technology plays an important role in various fields including water treatment, chemicals and gas separation for numerous industrial fields, and food processing. There has been a renewed focus on two-dimensional (2D) materials for membrane application since their atomic thickness and confined interlayer spacing could theoretically lead to enhanced separative performances. Either the single nanosheets themselves, or the stacking of multiple sheets can form selective membranes. The multilayer assembly of single nanosheets – forming nanolaminate membranes – creates 2D capillaries (or nanochannels) that can efficiently sieve chemical species depending on their size. Recent examples have been reported in the literature demonstrating the potential of 2D materials as multi- or single-layer membranes for molecular sieving, gas separation, energy harvesting and water desalination.
Among the different building blocks of nanolaminate membranes made of two-dimensional materials (2D), graphene oxide (GO) has been studied as a candidate for molecular sieving via size-limited diffusion in the 2D capillaries (222). Unfortunately the high hydrophilicity of GO nanosheets make GO membranes unstable in water, while the poor control of the capillary width between the nanosheets limits the water permeance of the membranes. Other 2D materi als such as exfoliated nanosheets of transition metal dichalcogenides (TMDs) constitute attractive platforms for the realization of nanolaminate membranes Recent works carried out on nanolaminate membranes made of molybdenum disulfide (MoS2) have demonstrated improved stability. Within this thesis we have studied the performance of a novel type of MoS2 nanolaminate membranes with well-controlled surface chemistry of the nanosheets. In order to assess the role of surface chemistry, we explored the impact of covalent functionalization on the molecular sieving toward water purification (i.e.desalination and micropollutant removal). Our results open novel directions to finely tune the sieving behavior of membranes based on 2D materials.
Keywords: Membrane, 2D materials, Functionalization, Water treatment, MoS2
Résumé :
Les technologies de séparation par membranes jouent un rôle important dans divers domaines tels que le traitement de l’eau, la séparation de produits chimiques et de gaz dans de nombreux domaines industriels ou encore l’industrie alimentaire. L’accent a récemment été mis sur les matériaux bidimensionnels (2D) pour les applications membranaires, car leur épaisseur atomique et leur espacement limité entre les couches pourraient théoriquement améliorer les performances de séparation. Les nanofeuillets eux-mêmes ou l’empilement de plusieurs feuillets peuvent former des membranes sélectives. L’empilement multicouche de monofeuillets sous forme de membrane nanolaminée crée des capillaires 2D (ou nanocanaux) capables de tamiser efficacement les espèces chimiques en fonction de leur taille. Des exemples récents ont été rapportés dans la littérature démontrant le potentiel des matériaux 2D en tant que membranes multicouches ou monocouches pour le tamisage moléculaire, la séparation de gaz, la production d’énergie et le dessalement de l’eau de mer. Parmi les différentes membranes 2D nanolaminées, l’oxyde de graphène (GO) est le matériau le plus étudié, et le tamisage moléculaire au sein de sa structure est principalement dicté par la taille de ses capillaires 2D. Malheureusement, l’hydrophilie importante des nanofeuillets rend les membranes de GO instables en milieu aqueux, et la difficulté de contrôler la largeur des capillaires entre les nanofeuillets limite l’utilisation de ces membranes pour le traitement des eaux. D’autres matériaux 2D tels que les nanofeuillets exfoliées de dichalcogénures de métaux de transition (TMD) constituent des plateformes attrayantes pour la réalisation de membranes nanolaminées. Des travaux récents menés sur des membranes nanolaminées en disulfure de molybdène (MoS2) ont montré sa stabilité améliorée. Dans le cadre de cette thèse, nous avons étudié les performances d’un nouveau type de membranes nanolaminées en MoS2 pour lesquelles la chimie de surface des feuillets est précisément contrôlée. Afin d’évaluer le rôle de la chimie de surface, nous avons exploré l’impact de la fonctionnalisation covalente sur le tamisage moléculaire pour la purification de l’eau (plus particulièrement le dessalement et l’élimination des micropolluants). Nos résultats ouvrent de nouvelles voies pour ajuster avec précision les capacités de séparation des membranes à base de matériaux 2D.
Mots-clés : Membranes, Matériaux bidimensionnels, Fonctionnalisation, Désalinisation, MoS2
