Microporous membrane with ionized sub-nanochannels enabling highly selective monovalent and divalent anion separation

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作者
Mei‐Ling Liu,Yu Chen,Chuan Hu,Chunxu Zhang,Zheng‐Jun Fu,Zhijun Xu,Young Moo Lee,Shi‐Peng Sun
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:15 (1) 被引量:1
标识
DOI:10.1038/s41467-024-51540-1
摘要

Membranes tailored for selective ion transport represent a promising avenue toward enhancing sustainability across various fields including water treatment, resource recovery, and energy conversion and storage. While nanochannels formed by polymers of intrinsic microporosity (PIM) offer a compelling solution with their uniform and durable nanometer-sized pores, their effectiveness is hindered by limited interactions between ions and nanochannel. Herein, we introduce the randomly twisted V-shaped structure of Tröger's Base unit and quaternary ammonium groups to construct ionized sub-nanochannel with a window size of 5.89–6.54 Å between anion hydration and Stokes diameter, which enhanced the dehydrated monovalent ion transport. Combining the size sieving and electrostatic interaction effects, sub-nanochannel membranes achieved exceptional ion selectivity of 106 for Cl-/CO32- and 82 for Cl-/SO42-, significantly surpassing the state-of-the-art membranes. This work provides an efficient template for creating functionalized sub-nanometer channels in PIM membranes, and paves the way for the development of precise ion separation applications. Membranes tailored for selective ion transport represent a promising avenue toward enhancing sustainability across various fields but limited interaction between ions and nanochannels in polymers of intrinsic microporosity hinders their effectiveness. Here, the authors introduce the randomly twisted V-shaped structure of Tröger's Base unit and quaternary ammonium groups to construct ionized sub-nanochannel membranes and demonstrate the enhanced transport of the dehydrated monovalent ions.
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