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