Wensen WANG
a soutenu sa thèse le 10 novembre 2023
« Engineering of the interlayer space of nanolaminate membranes for molecular sieving »
Devant le jury composé de :
– Sophie CASSAIGNON, Professeure, Sorbonne Université – Rapportrice
– Mohamed El-ROZ, Chargé de recherche, University of Caen Normandy – Rapporteur
– Cecilia DE CARVALHO CASTRO E SILVA, Associate Professor, Mackenzie Presbyterian University – Examinatrice
– Benoit MAHLER, Chargé de recherche, Université Claude Bernard Lyon 1 – Examinateur
– Philippe MIELE, Professeur, Université de Montpellier – Directeur de thèse
– Damien VOIRY, Chargé de recherche, Université de Montpellier – Co-Directeur de thèse
Résumé :
Cette thèse présente une exploration approfondie du potentiel et des défis des membranes en matériaux bidimensionnels (2D) pour diverses applications de séparation, offrant à la fois des aperçus fondamentaux et des approches innovantes pour leur conception et leur application. Elle commence par étudier l’essor des membranes en matériaux 2D, notamment l’oxyde de graphène (GO), les dichalcogénures de métaux de transition (TMD) et les carbures et/ou nitrures de métaux de transition (MXene), en tant qu’alternative prometteuse aux membranes polymères conventionnelles pour diverses applications de séparation. Parallèlement, les défis auxquels sont confrontées les membranes 2D sont également abordés. Enfin, les stratégies d’adaptation des matériaux 2D pour améliorer leurs performances de séparation membranaire sont mises en évidence.
La thèse se penche ensuite sur le développement de membranes laminaires construites à partir de nanofeuillets de MoS2 en 2D, démontrant la manipulation de l’espace entre les couches pour améliorer les performances de dessalement. Nous révélons une stratégie permettant d’ajuster finement les largeurs capillaires et la structure d’empilement des nanocanaux en fonction de la nature des groupes fonctionnels attachés aux nanofeuillets de MoS2, ce qui permet d’obtenir des taux impressionnants de perméation de l’eau et de rejet des sels. Ces travaux ouvrent la voie à la conception future de membranes de dessalement et de nanofiltration à haut rendement énergétique.
Enfin, l’accent est mis sur les applications de nanofiltration par solvants organiques (OSN) des membranes d’argile laminées en 2D. En intercalant divers cations mono et multivalents, en particulier le Fe3+, dans la couche intermédiaire des nanofeuillets d’argile, nous améliorons considérablement la stabilité et la capacité de tamisage moléculaire des membranes, démontrant des performances impressionnantes dans la séparation des colorants et la purification des solvants organiques.
Les perspectives de recherche futures sont également explorées, soulignant l’importance d’améliorer la stabilité et l’extensibilité des membranes et de développer des techniques de fabrication durables. Les perspectives d’étudier davantage les rôles des groupes fonctionnels et des cations dans la modification des propriétés des membranes, de développer des membranes nanolaminées à plus grande échelle et d’exploiter tout le potentiel des membranes d’argile laminées en 2D pour l’OSN sont discutées. Cette thèse offre non seulement un aperçu précieux de l’état actuel et du potentiel des membranes en matériaux 2D, mais pose également des bases solides pour les recherches futures dans ce domaine.
Abstract:
This thesis presents an in-depth exploration of the potential and challenges of two-dimensional (2D) material membranes for various separation applications, offering both foundational insights and innovative approaches to their design and application. It begins by investigating the rise of 2D material membranes, notably graphene oxide (GO), transition metal dichalcogenides (TMDs), and transitional metal carbides and/or nitrides (MXene), as a promising alternative to conventional polymer membranes for diverse separation applications. Meanwhile, the challenges faced by 2D membranes are also addressed. In the end, the tailoring strategies for 2D materials to enhance their membrane separation performance are highlighted.
The thesis then delves into the development of laminar membranes constructed from 2D MoS2 nanosheets, demonstrating the manipulation of interlayer space for enhanced desalination performance. We reveal a strategy to fine-tune the capillary widths and stacking structure of the nanochannels depending on the nature of the functional groups attached to the MoS2 nanosheets, leading to impressive water permeation and salt rejection rates. This work paves the way for the future design of energy-efficient desalination and nanofiltration membranes.
Lastly, the focus shifts to organic solvent nanofiltration (OSN) applications of 2D laminated clay membranes. By intercalating mono and multivalent cations, particularly Fe3+, into the interlayer of clay nanosheets, we significantly enhance the stability and molecular sieving ability of the membranes, demonstrating impressive performance in dye separation and organic solvent purification.
Future research perspectives are also explored, highlighting the importance of enhancing membrane stability, scalability, and developing sustainable fabrication techniques. The prospects for further investigating the roles of functional groups and cations in modifying membrane properties, developing larger-scale nanolaminated membranes, and exploiting the full potential of 2D laminated clay membranes for OSN are discussed. This thesis not only offers valuable insights into the current state and potential of 2D material membranes but also sets a strong foundation for future research in the field.
