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

离子 纳米技术 材料科学 二价 微型多孔材料 离子运输机 化学工程 选择性 聚合物 化学物理 化学 有机化学 生物化学 工程类 催化作用
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:19
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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