Water desalination by MoS2 nanopores : the role of pore geometry and chemistry on water and ion transport

Abstract

Water scarcity is a pressing issue faced by humanity and is predicted to worsen in the near future. The development of more cost-effective water desalination technology can help alleviate these issues. 2D materials, made up of atom-thick membranes with nanoscale pores are a promising candidate to new generation desalination membranes. Among the most promising materials is molybdenum dissulfide, or MoS2. Using molecular dynamics simulations, we are able to elucidate some of the underlying phenomena regulating its performance as a reverse osmosis membrane applied to water desalination. By varying geometric and chemical properties of single layer MoS2 nanopores we offer a detailed analysis on the mechanisms governing water and ion transport. We show that both the pore’s size and its charge distribution, induced by pore chemistry, play significant roles on transport phenomena across the nanopores. We provide an analysis on properties influencing water flux and salt rejection, and how both quantities are related due to water-ion interactions. We then provide an analysis on the mechanism governing water transport across bilayer nanoporous MoS2 membranes, where hydrated MoS2 forms a nanochannel between both layers. We study how charge distribution, pore alignment and layer separation impact water transport across such systems and show that it does not obey classical hydrodynamics equations due to the presence of confinement effects. Our results both confirm previous literature and provide new information on the underlying mechanisms governing the efficiency of MoS2 as a desalination membrane. Next generation membranes must provide high ion selectivity while maintaining high water fluxes, and our results suggest MoS2 may be a viable candidate for such. We hope that this work will be helpful in the design of such new technologies.

Escassez de água potável é um problema que afeta bilhões de pessoas ao redor do mundo e tende a piorar no futuro próximo. O desenvolvimento de tecnologias mais baratas de desalinização da água do mar pode ajudar a aliviar alguns desses desafios. Materiais 2D, compostos de membranas de espessura atômica adornados de poros de tamanho nanométrico são candidatos promissores para a nova geração de membranas de dessalinização. Entre os materiais mais promissores está o dissulfeto de molibdênio, ou MoS2. Utilizando simulações de dinâmica molecular nós conseguimos elucidar fenômenos que regulam a performance desse material como uma membrana de osmose reversa aplicada à dessalinização da água do mar. Variando a geometria e a química de nanoporos localizados em membranas monocamada de MoS2 nós oferecemos uma análise detalhada dos mecanismos que regulam o transporte de água e de íons de sal. Nós mostramos como o tamanho do poro e a distribuição de cargas induzida pela sua composição química têm papel crucial em tais fenômenos de transporte através dos nanoporos. Nós fornecemos uma análise das propriedades que determinam o fluxo de água e a rejeição de íons e como essas quantidades estão relacionadas devido a interações água-íons. Finalmente, foi conduzida uma análise dos mecanismos regulando o fluxo de água através de membranas bicamada de MoS2 contendo nanoporos, onde uma forma hidratada do MoS2 forma um nanocanal entre ambas camadas da membrana. Nós mostramos como a distribuição de cargas, alinhamento dos poros e distância entre as camadas da membrana influenciam o transporte de moléculas de água através de tais sistemas e mostramos que ele não é regido pelas leis da hidrodinâmica clássica devido à presença de efeitos de confinamento. Nosso trabalho tanto confirma resultados da literatura como fornece novas informações sobre os mecanismos determinantes para a performance de membranas de dessalinização de MoS2. A próxima geração de membranas de dessalinização deve exibir altas taxas de seletividade iônica e de fluxo de água e os nosso resultados indicam que MoS2 é um potencial candidato para tal aplicação. Nós esperamos que esse trabalho possa ser útil no desenvolvimento dessas novas tecnologias.