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Designing Biomimic Two-Dimensional Ionic Transport Channels for Efficient Ion Sieving

离子键合 离子 化学物理 材料科学 离子运输机 选择性 化学 纳米技术 生物化学 催化作用 有机化学
作者
Mengchen Zhang,Pengxiang Zhao,Peishan Li,Yufan Ji,Gongping Liu,Wanqin Jin
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:15 (3): 5209-5220 被引量:120
标识
DOI:10.1021/acsnano.0c10451
摘要

Ion transport is crucial for biological systems and membrane-based technologies from both fundamental and practical aspects. Unlike biological ion channels, realizing efficient ion sieving by using membranes with artificial ion channels remains an extremely challenging task. Inspired by biological ion channels with proper steric containment of target ions within affinitive binding sites along the selective filter, herein we design a system of biomimic two-dimensional (2D) ionic transport channels based on a graphene oxide (GO) membrane, where the ionic imidazole group tunes the appropriate physical confinement of 2D ionic transport channels to mimic the confined cavity structures of the biological selectivity filter, and the ionic sulfonic group creates a favorable chemical environment of 2D ionic transport channels to mimic the affinitive binding sites of the biological selectivity filter. As a result, the as-fabricated ionic GO membrane demonstrates an exceptional K+ transport rate of ∼1.36 mol m–2 h–1 and competitive K+/Mg2+ selectivity of ∼9.11, outperforming state-of-the-art counterparts. Moreover, the semiquantitative studies of ion transport through 2D ionic transport channels suggest that efficient ion sieving with the ionic GO membrane is achieved by the high diffusion and partition coefficients of hydrated monovalent ions, as well as the large energy barrier and limited potential gradient of hydrated divalent ions encountered.
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