设计下一代燃料电池和过滤设备需要开发纳米多孔材料，这种材料能够快速、可逆地吸收和定向运输水分子。

有鉴于此，伦敦大学学院的Paul F. McMillan等人，结合中子光谱学和第一性原理计算来证明分子水通过具有聚三嗪酰亚胺结构的结晶氮化碳层内有序排列的纳米级空隙快速传输。

本文要点

1）当中性分子穿过层间间隙并通过层内空隙时，该迁移机理涉及一系列由氢键相互作用引导的分子取向逆转，该层间空隙显示出与水通过生物系统中的跨膜水通道蛋白通道的传输相似。结果表明，纳米孔层状碳氮化物可用于开发高性能膜。

2）研究结果表明，准一维H₂O扩散在具有PTI层状结构的结晶碳氮化物中，通过一系列排列堆叠的C₁₂N₁₂H₃环纳米孔进行。通过GO纳米片和自然AQP通道，扩散的速率可与在亚纳米CNT中观察到的速率相当。当分子H₂O物质穿过层间间距并穿过层内孔时，扩散机制包括一个协调的方向逆转序列，这类似于水分子通过AQP通道的颈部区域的传输机制。天然跨膜AQP通道通常对分子H₂O的运输具有高度选择性。

3）PTI层中的C₁₂N₁₂H₃纳米孔仅稍大（10至12Å），但是从结构研究中知道，这些孔可以容纳Cl^-离子，但不能容纳Br^-或更大的物种，而小阳离子（如Li⁺）可以保持键合围绕孔内部的N‑H氢的位置。尚不知道这些其他物种在PTI层结构内和通过PTI层结构的相对扩散率或渗透率，因此尚无法估计此类PTI膜的离子选择性与分子选择性。但是，超快水的扩散率和渗透率与在亚纳米CNT和GO组件中观察到的速率相似，并且超过了在自然AQP通道中观察到的速率，这意味着这些PTI层的纳米多孔材料代表了极好的候选材料，可用于能源和纳滤装置的膜系统应用中。

参考文献：

Fabrizia Foglia et al. Aquaporin-like water transport in nanoporous crystalline layered carbon nitride. Science Advances, 2020.

DOI: 10.1126/sciadv.abb6011

http://doi.org/10.1126/sciadv.abb6011