Kinetic barrier networks reveal rate limitations in ion-selective membranes

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作者
Ryan Kingsbury,Michael A. Baird,Junwei Zhang,Hetal D. Patel,Miranda J. Baran,Brett A. Helms,Eric M.V. Hoek
出处
期刊:Matter [Elsevier]
卷期号:7 (6): 2161-2183 被引量:20
标识
DOI:10.1016/j.matt.2024.03.021
摘要

While polymer membranes are used to remove salts from environmental and industrial electrolytes, it remains a significant challenge to engineer them to isolate a single dissolved species from complex mixtures, which is important for lithium mining, battery and magnet recycling, and microelectronics. Underpinning this challenge has been a lack of understanding of rate-limiting mechanisms in selective ion transport. Here, we show that hydrated ions exhibit higher free energies of activation when crossing solution-membrane interfaces (i.e., partitioning) than when diffusing through polymers, which challenges historical assumptions embedded in widely used models of membrane performance. We further articulate a framework benchmarked with quantitative capabilities for predicting how functionality within polymer membranes or at their surfaces affects selectivity toward individual dissolved species.
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