2022年5月19日，Journal of the American Chemical Society在線發(fā)表了中國科學技術大學徐銅文教授團隊在新型離子分離膜領域的最新研究成果：“Highly Ion-Permselective Porous Organic Cage Membranes with Hierarchical Channels”。化學與材料科學學院徐婷婷博士、安徽大學伍斌副教授、侯林逍博士為該文章的共同第一作者，李興亞副研究員、葛亮副研究員和徐銅文教授為共同通訊作者。該工作得到國家自然科學基金委的支持。
離子選擇性分離作為膜分離技術的重要應用領域，涉及資源回收再利用、能源轉換與存儲等重要化工過程，在鹽湖提鋰、鹽水精制（氯堿工業(yè)）、高鹽廢水資源化、液流電池和鹽差能發(fā)電等領域均有涉及。面向“雙碳”的國家戰(zhàn)略目標，針對節(jié)能減排和傳統(tǒng)產業(yè)轉型升級等國家重大需求，離子分離技術的進步對于化學工業(yè)生產的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
中國科學技術大學徐銅文教授團隊自2011年開始在一/二價離子選擇性分離膜開發(fā)、傳質機理研究和分離應用等方向開展了深入研究。團隊提出了利用分子自組裝調控離子選擇性傳輸通道的新策略（J. Membr. Sci., 2019, 581, 150.；J. Membr. Sci., 2018, 563, 320.；Chem. Eng. J., 2020, 382, 122838.）；利用表面原位聚合反應，實現超薄分離層中納米錐形孔的構筑，縮短了離子傳遞路徑（J. Membr. Sci., 2018, 557, 49.；Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 131, 12776.；J. Membr. Sci., 2020, 594, 117453.）。在此基礎上，團隊開發(fā)了具有自主知識產權的膜產品體系，為離子選擇性分離膜的規(guī)模化制備和產業(yè)化積累了豐富的經驗。為了深入研究離子在限域孔道內的傳質行為及分離機理，團隊提出以具有規(guī)則孔道結構、骨架結構參數明確的多孔連續(xù)框架材料為模型，在埃米精度下實現離子傳輸通道的精確定制和孔道性質精密調控，達到了高效、精準的離子分離效果；定量化通道關鍵結構參數，初步揭示了埃米尺度下離子限域傳質機制（ChemSusChem, 2019, 12, 2593.；Nano-Micro Lett., 2020, 12, 51.；J. Membr. Sci., 2020, 615, 118608.；Adv. Mater. 2021, 33, 2104404.）。
圖1 CC3離子分離膜
研究團隊還通過分子動力學模擬計算了離子在通道中遷移的自由能面，揭示了離子在離散CC3框架通道中的傳輸路徑（圖3a）。離子在CC3通道中由一個外腔傳遞到另一個外腔過程，以不同的水合狀態(tài)通過CC3的窗口從外腔向內腔遷移，傳遞的能壘順序為：K+ < Na+ <Li+ << Mg2+（圖3b）。這項工作揭示了離子在POC離散框架通道中的傳遞特性，為開發(fā)高離子滲透選擇性分離膜提供了理論指導。
圖3 離子在CC3通道中的傳遞軌跡
原文鏈接：https://doi.org/10.1021/jacs.2c00318
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