近日,，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)徐銅文教授/李興亞副研究員等在限域離子分離膜方面取得突破性進(jìn)展,，他們提出離子全脫水的概念,，設(shè)計制備了MOF限域冠醚膜,，解決了復(fù)雜體系中離子精準(zhǔn)分離難題。研究成果以題為“Perfect confinement of crown ethers in MOF membrane for complete dehydration and fast transport of monovalent ions”發(fā)表在國際著名期刊Science Advances上（Sci. Adv. 10, eadn0944, 2024）,。
離子的高效精準(zhǔn)分離,，涉及鹽湖提鋰、海水精制,、高鹽廢水資源化等重要化工過程,。這些體系離子成份復(fù)雜,，且尺寸均在埃米級，是當(dāng)前化工分離行業(yè)亟待解決的技術(shù)難題,。面向國家“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo),，針對節(jié)能減排和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級等國家重大需求，高性能離子分離膜的開發(fā)對于化學(xué)工業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義,。
團(tuán)隊前期研究成果表明埃尺度膜通道有助于離子發(fā)生部分脫水,，促進(jìn)離子傳遞與篩分（J. Am. Chem. Soc.,2022, 144, 23, 10220-10229）。為了進(jìn)一步提升一價離子通量和選擇性,，本工作在溫和條件下（30 ℃）原位生長MOF限域冠醚（CE@UiO-66）膜,，利用UiO-66的窗口-空腔結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對冠醚分子的“完美限域”（圖1）。該條件下制備的UiO-66具有~8 ?窗口和~12-15 ?空腔,，基于尺寸匹配效應(yīng),，可以限域分子尺寸為~12 ?的二苯并-15-冠醚-5（DB15C5）或二苯并-18-冠醚-6（DB18C6）。與原始的UiO-66膜相比,，CE@UiO-66膜表現(xiàn)出更高的一價離子滲透速率和選擇性,，這是由于UiO-66窗口尺寸篩分和冠醚相互作用篩選的協(xié)同作用使得一價離子發(fā)生完全脫水。在濃差驅(qū)動的二元離子分離體系中,，一價陽離子的通量（如K+）以及一價/二價陽離子的選擇性（如K+/Mg2+）分別在0.9 ~ 1.2 mol m2h-1和30 ~ 60 之間（圖2）,。第一性原理計算和分子動力學(xué)模擬表明，一價離子在通過DB18C6@UiO-66空腔時完全脫水,，促使一價離子以較低能壘快速傳遞（傳遞能壘：K+< Na+<Li+<Mg2+），最終離子跨膜速率為：K+> Na+> Li+> Mg2+,。MOF限域冠醚策略可結(jié)合膜的孔徑篩分與相互作用篩選效應(yīng),，同步提升離子通量和選擇性，為復(fù)雜體系下離子精準(zhǔn)分離膜的構(gòu)筑提供了理論指導(dǎo),。
圖1 MOF限域冠醚膜制備及離子跨膜傳遞過程
圖2 MOF限域冠醚膜的離子傳質(zhì)行為與分離機(jī)理
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)徐婷婷副研究員和安徽大學(xué)伍斌副教授為該文章的共同第一作者,，李興亞副研究員和徐銅文教授為共同通訊作者。該研究工作得到國家自然科學(xué)基金,、國家重點研發(fā)計劃項目等專項經(jīng)費(fèi)的資助,。
文章鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn0944
（化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院、科研部）
