2022年5月19日，Journal of the American Chemical Society在線發(fā)表了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)徐銅文教授團隊在新型離子分離膜領(lǐng)域的最新研究成果：“Highly Ion-Permselective Porous Organic Cage Membranes with Hierarchical Channels”；瘜W(xué)與材料科學(xué)學(xué)院徐婷婷博士、安徽大學(xué)伍斌副教授、侯林逍博士為該文章的共同第一作者，李興亞副研究員、葛亮副研究員和徐銅文教授為共同通訊作者。該工作得到國家自然科學(xué)基金委的支持。
離子選擇性分離作為膜分離技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域，涉及資源回收再利用、能源轉(zhuǎn)換與存儲等重要化工過程，在鹽湖提鋰、鹽水精制（氯堿工業(yè)）、高鹽廢水資源化、液流電池和鹽差能發(fā)電等領(lǐng)域均有涉及。面向“雙碳”的國家戰(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，離子分離技術(shù)的進步對于化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)徐銅文教授團隊自2011年開始在一/二價離子選擇性分離膜開發(fā)、傳質(zhì)機理研究和分離應(yīng)用等方向開展了深入研究。團隊提出了利用分子自組裝調(diào)控離子選擇性傳輸通道的新策略（J. Membr. Sci., 2019, 581, 150.；J. Membr. Sci., 2018, 563, 320.；Chem. Eng. J., 2020, 382, 122838.）；利用表面原位聚合反應(yīng)，實現(xiàn)超薄分離層中納米錐形孔的構(gòu)筑，縮短了離子傳遞路徑（J. Membr. Sci., 2018, 557, 49.；Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 131, 12776.；J. Membr. Sci., 2020, 594, 117453.）。在此基礎(chǔ)上，團隊開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的膜產(chǎn)品體系，為離子選擇性分離膜的規(guī)；苽浜彤a(chǎn)業(yè)化積累了豐富的經(jīng)驗。為了深入研究離子在限域孔道內(nèi)的傳質(zhì)行為及分離機理，團隊提出以具有規(guī)則孔道結(jié)構(gòu)、骨架結(jié)構(gòu)參數(shù)明確的多孔連續(xù)框架材料為模型，在埃米精度下實現(xiàn)離子傳輸通道的精確定制和孔道性質(zhì)精密調(diào)控，達到了高效、精準(zhǔn)的離子分離效果；定量化通道關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，初步揭示了埃米尺度下離子限域傳質(zhì)機制（ChemSusChem, 2019, 12, 2593.；Nano-Micro Lett., 2020, 12, 51.；J. Membr. Sci., 2020, 615, 118608.；Adv. Mater. 2021, 33, 2104404.）。
圖1 CC3離子分離膜
研究團隊還通過分子動力學(xué)模擬計算了離子在通道中遷移的自由能面，揭示了離子在離散CC3框架通道中的傳輸路徑（圖3a）。離子在CC3通道中由一個外腔傳遞到另一個外腔過程，以不同的水合狀態(tài)通過CC3的窗口從外腔向內(nèi)腔遷移，傳遞的能壘順序為：K+ < Na+ <Li+ << Mg2+（圖3b）。這項工作揭示了離子在POC離散框架通道中的傳遞特性，為開發(fā)高離子滲透選擇性分離膜提供了理論指導(dǎo)。
圖3 離子在CC3通道中的傳遞軌跡
原文鏈接：https://doi.org/10.1021/jacs.2c00318
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