Abstract Two-dimensional (2D) materials have exhibited tremendous potential as functional fillers of hybrid membranes. Manipulating the orientation of 2D fillers in hybrid membranes, a decisive factor in determining the separation performance, proves a critical challenge. In this study, hybrid membranes with vertical superparamagnetic Fe3O4 nanoflakes and sodium alginate (SA) matrix were prepared via the external magnetic field. The vertically aligned Fe3O4 nanoflakes constructed highly efficient interfacial regions for penetrants transport in hybrid membranes, which shortened the molecular diffusion pathways. In addition, the orientated fillers increased surface hydrophilicity of the hybrid membranes by enhancing the surface roughness. The effect of Fe3O4 nanoflakes orientation and content in hybrid membranes on the separation performance was systematically investigated. When the filler content is 0.4 wt%, the hybrid membrane with vertically aligned Fe3O4 nanoflakes achieved superior ethanol dehydration performance with an optimized selectivity of 3248 ± 233 and a decent water permeability of 1436 ± 169 Barrer, which increased by 68% and 133% compared to the hybrid membranes with horizontally aligned Fe3O4 nanoflakes, respectively. This strategy of manipulating 2D filler orientation may render hybrid membranes with more possibilities for enhanced separation performances.

中文翻译：

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混合膜内垂直取向的 Fe3O4 纳米薄片可有效分离水/乙醇

摘要 二维 (2D) 材料作为混合膜的功能填料表现出巨大的潜力。操纵混合膜中二维填料的取向，这是决定分离性能的决定性因素，被证明是一项关键挑战。在这项研究中，通过外部磁场制备了具有垂直超顺磁性 Fe3O4 纳米薄片和海藻酸钠 (SA) 基质的混合膜。垂直排列的 Fe3O4 纳米薄片为混合膜中的渗透剂传输构建了高效的界面区域，从而缩短了分子扩散路径。此外，定向填料通过提高表面粗糙度来增加混合膜的表面亲水性。系统研究了 Fe3O4 纳米薄片取向和杂化膜中含量对分离性能的影响。当填料含量为 0.4 wt% 时，具有垂直排列的 Fe3O4 纳米薄片的杂化膜实现了优异的乙醇脱水性能，优化的选择性为 3248±233，良好的透水性为 1436±169 Barrer，相比之下分别提高了 68% 和 133%分别连接到具有水平排列的 Fe3O4 纳米薄片的混合膜。这种操纵 2D 填料取向的策略可能使混合膜具有更多的可能性来提高分离性能。具有垂直排列的 Fe3O4 纳米薄片的杂化膜实现了卓越的乙醇脱水性能，优化的选择性为 3248±233，良好的透水性为 1436±169 Barrer，与具有水平排列的 Fe3O4 纳米薄片的杂化膜相比，分别提高了 68% 和 133% ， 分别。这种操纵 2D 填料取向的策略可能使混合膜具有更多的可能性来提高分离性能。具有垂直排列的 Fe3O4 纳米薄片的杂化膜实现了卓越的乙醇脱水性能，优化的选择性为 3248±233，良好的透水性为 1436±169 Barrer，与具有水平排列的 Fe3O4 纳米薄片的杂化膜相比，分别提高了 68% 和 133% ， 分别。这种操纵 2D 填料取向的策略可能使混合膜具有更多的可能性来提高分离性能。