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Fast water transport and molecular sieving through ultrathin ordered conjugated-polymer-framework membranes

渗透 材料科学 堆积 聚合物 化学工程 分子动力学 碳纳米管 石墨烯 水运 纳米技术 碳纤维 共轭体系 化学 渗透 有机化学 水流 复合数 复合材料 环境工程 工程类 生物化学 计算化学
作者
Jie Shen,Yichen Cai,Chenhui Zhang,Wei Wan,Cailing Chen,Lingmei Liu,Kuiwei Yang,Yinchang Ma,Yingge Wang,Chien‐Chih Tseng,Jui‐Han Fu,Xinglong Dong,Jiaqiang Li,Xixiang Zhang,Lain‐Jong Li,Jianwen Jiang,Ingo Pinnau,Vincent Tung,Yu Han
出处
期刊:Nature Materials [Springer Nature]
卷期号:21 (10): 1183-1190 被引量:117
标识
DOI:10.1038/s41563-022-01325-y
摘要

The development of membranes that block solutes while allowing rapid water transport is of great importance. The microstructure of the membrane needs to be rationally designed at the molecular level to achieve precise molecular sieving and high water flux simultaneously. We report the design and fabrication of ultrathin, ordered conjugated-polymer-framework (CPF) films with thicknesses down to 1 nm via chemical vapour deposition and their performance as separation membranes. Our CPF membranes inherently have regular rhombic sub-nanometre (10.3 × 3.7 Å) channels, unlike membranes made of carbon nanotubes or graphene, whose separation performance depends on the alignment or stacking of materials. The optimized membrane exhibited a high water/NaCl selectivity of ∼6,900 and water permeance of ∼112 mol m−2 h−1 bar−1, and salt rejection >99.5% in high-salinity mixed-ion separations driven by osmotic pressure. Molecular dynamics simulations revealed that water molecules quickly and collectively pass through the membrane by forming a continuous three-dimensional network within the hydrophobic channels. The advent of ordered CPF provides a route towards developing carbon-based membranes for precise molecular separation. Carbon nanomaterials such as graphene show intriguing molecular transport properties, but to achieve regular channels over a large area requires perfect sheet alignment. Here, a large-area two-dimensional conjugated-polymer-framework is grown with regular pore distribution, enabling 99.5% salt rejection by forward osmosis.
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