Engineering of Covalent Organic Framework Nanosheet Membranes for Fast and Efficient Ion Sieving: Charge‐Induced Cation Confined Transport

二价 纳米片 化学 反离子 无机化学 离子 共价键 渗透 阳离子聚合 纳滤 共价有机骨架 离子运输机 化学工程 有机化学 生物化学 工程类
作者
Sheng Wang,Li Ding,Jian Xue,Haoyu Wu,Chengzhi Cai,Zhiwei Qiao,J. Caro,Haihui Wang
出处
期刊:Small methods [Wiley]
标识
DOI:10.1002/smtd.202401111
摘要

Abstract Artificial membranes with ion‐selective nanochannels for high‐efficiency mono/divalent ion separation are of great significance in water desalination and lithium‐ion extraction, but they remain a great challenge due to the slight physicochemical property differences of various ions. Here, the successful synthesis of two‐dimensional TpEBr‐based covalent organic framework (COF) nanosheets, and the stacking of them as consecutive membranes for efficient mono/divalent ion separation is reported. The obtained COF nanosheet membranes with intrinsic one‐dimensional pores and abundant cationic sites display high permeation rates for monovalent cations (K + , Na + , Li + ) of ≈0.1–0.3 mol m −2 h −1 , while the value of divalent cations (Ca 2+ , Mg 2+ ) is two orders of magnitude lower, resulting in an ultrahigh mono/divalent cation separation selectivity up to 130.4, superior to the state‐of‐the‐art ion sieving membranes. Molecular dynamics simulations further confirm that electrostatic interaction controls the confined transport of cations through the cationic COF nanopores, where multivalent cations face i) strong electrostatic repulsion and ii) steric transport hindrance since the large hydrated divalent cations are retarded due to a layer of strongly adsorbed chloride ions at the pore wall, while smaller monovalent cations can swiftly permeate through the nanopores.
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