Covalent Organic Framework Interlayer Spacings as Perfectly Selective Artificial Proton Channels

质子 化学物理 密度泛函理论 共价键 分子 化学 离子 质子输运 氢键 水溶液 选择性 热扩散率 计算化学 纳米技术 材料科学 物理化学 有机化学 热力学 物理 量子力学 催化作用
作者
Qi Li,Hongfei Gao,Yongye Zhao,Bo Zhou,Lei Yu,Qingsong Huang,Lei Jiang,Jun Gao
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
标识
DOI:10.1002/anie.202402094
摘要

Abstract Biological proton channels have perfect selectivity in aqueous environment against almost all ions and molecules, a property that differs itself from other biological channels and a feature that remains challenging to realize for bulk artificial materials. The biological perfect selectivity originates from the fact that the channel has almost no free space for ion or water transport but generates a hydrogen bonded wire in the presence of protons to allow the proton hopping. Inspired by this, we used the interlayer spacings of covalent organic framework materials consisting of hydrophilic functional groups as perfectly selective artificial proton channels. The interlayer spacings are so narrow that no atoms or molecules can diffuse through. However, protons exhibit a diffusivity in the same order of magnitude as that in bulk water. Density functional theory calculations show that water molecules and the COF material form hydrogen bonded wires, allowing the proton hopping. We further demonstrate that the proton transport rate can be tuned by adjusting the acidity of the functional groups.
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