姜忠义Nat Commun：一种可高效分离单价阳离子的共价有机骨架膜

Nanoyu

2022-11-20

共价有机骨架(COF)具有刚性、高度有序性和可调性等结构，可以有效地控制熵选择性和焓选择性的协同作用，具有很大的潜力作为下一代离子分离膜材料。

近日，天津大学姜忠义教授，潘福生副研究员展示了COF膜对单价阳离子的高效分离。

文章要点

1）研究人员通过设计具有不同通道尺寸和酸基的COF，提出了受限级联分离的概念来解释分离过程：i）COF膜的通道由两种结构域组成，被酸基团覆盖的通道域，简称为ACID域和不被酸基团占据的通道域，简称为无酸域。酸区作为受限段，可以充分结合水分子形成水合壳，使有效通道尺寸变窄；ii）沿COF膜通道排列的所有酸区都能放大每个受限段的筛选能力，对单价阳离子具有较高的选择性；iii）无酸段保持了原有的通道尺寸，使单价阳离子具有高的渗透性。

2）研究人员选择了一组描述符，包括水化能、基团密度(每个孔内的酸基数)、基团距离，以确定受限阶段的性质。水化强度为−0.15~−0.44 eV，每个孔的基团密度为0~6，基团间距为6~25 Å，根据COF膜的厚度，级数从~2000级到~10,000级不等。

3）此外，研究人员从头设计的COF（TpPa-PO₃H₂）膜在直接筛选二元一价阳离子混合物方面取得了优异的性能，对K⁺/Li⁺二元混合物的实际选择性为4.2~4.7，对K⁺/Li⁺的理想选择性为~13.7。

参考文献

Wang, H., Zhai, Y., Li, Y. et al. Covalent organic framework membranes for efficient separation of monovalent cations. Nat Commun 13, 7123 (2022).

DOI：10.1038/s41467-022-34849-7

https://doi.org/10.1038/s41467-022-34849-7