Optimizing selectivity via membrane molecular packing manipulation for simultaneous cation and anion screening

选择性 离子 化学 纳米技术 计算机科学 材料科学 有机化学 生物化学 催化作用
作者
Qing-Wei Meng,Jianguo Li,Zhuozhi Lai,Weipeng Xian,Sai Wang,Fang Chen,Zhifeng Dai,Li Zhang,Hong Yin,Shengqian Ma,Qi Sun
出处
期刊:Science Advances [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:10 (39) 被引量:15
标识
DOI:10.1126/sciadv.ado8658
摘要

Advancing membranes with enhanced solute-solute selectivity is essential for expanding membrane technology applications, yet it presents a notable challenge. Drawing inspiration from the unparalleled selectivity of biological systems, which benefit from the sophisticated spatial organization of functionalities, we posit that manipulating the arrangement of the membrane’s building blocks, an aspect previously given limited attention, can address this challenge. We demonstrate that optimizing the face-to-face orientation of building blocks during the assembly of covalent-organic-framework (COF) membranes improves ion-π interactions with multivalent ions. This optimization leads to extraordinary selectivity in differentiating between monovalent cations and anions from their multivalent counterparts, achieving selectivity factors of 214 for K + /Al 3+ and 451 for NO 3 − /PO 4 3− . Leveraging this attribute, the COF membrane facilitates the direct extraction of NaCl from seawater with a purity of 99.57%. These findings offer an alternative approach for designing highly selective membrane materials, offering promising prospects for advancing membrane-based technologies.
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