行业新闻
电鳗启发的亚纳米离子通道膜实现高选择性离子分离
2021-03-16
离子梯度现象普遍存在于生物膜中，为保障生物体的正常生理功能，生物膜上的离子通道对离子可实现具有选择性渗透运输。例如电鳗能够使用发电细胞上的具有高选择性的亚纳米级蛋白质离子通道将离子梯度转换成600 V的高压电力。离子梯度现象普遍存在于生物膜中，为保障生物体的正常生理功能，生物膜上的离子通道对离子可实现具有选择性渗透运输。例如电鳗能够使用发电细胞上的具有高选择性的亚纳米级蛋白质离子通道将离子梯度转换成600 V的高压电力。

离子梯度形成了较大的推动下，实现离子选择分离性成为难题。研究在利用纳米级单孔和多孔结构制备薄膜，探索不同种类的离子选择性膜方面进行了大量的努力。此外，可促进从离子梯度中获取能量的基于纳米级的非均质膜已得到广泛的开发利用。然而，开发高选择性的纳米孔和纳米通道膜，并将离子梯度能量转化为其他形式的能量仍然充满挑战，例如将亚纳米通道膜的渗透能量收集并转化为电能，仍然处于待开发的阶段。

国立台湾大学的Yi-Cheng Li以及国立台湾科技大学的Li-Hsien Yeh等人受电鳗生物膜内的离子通道蛋白和亚纳米级离子通道的启发，利用UiO-66-NH2膜和高度有序的氧化铝纳米通道，制备了具有连续亚纳米尺度的非均质MOF膜——UiO-66-NH2@ANM，并将研究以“Highly selective and high-performance osmotic power generators in subnanochannel membranes enabled by metal-organic frameworks”为题发表于《Science Advances》。国立台湾大学的Yi-Cheng Li以及国立台湾科技大学的Li-Hsien Yeh等人受电鳗生物膜内的离子通道蛋白和亚纳米级离子通道的启发，利用UiO-66-NH2膜和高度有序的氧化铝纳米通道，制备了具有连续亚纳米尺度的非均质MOF膜——UiO-66-NH2@ANM，并将研究以“Highly selective and high-performance osmotic power generators in subnanochannel membranes enabled by metal-organic frameworks”为题发表于《Science Advances》。

【亚纳米通道MOF膜的制备】

作者首先在氨基功能化的氧化铝膜上原位合成致密的UiO-66-NH2晶体层，后形成非均相亚纳米通道膜UiO-66-NH2@ANM。由于UiO-66-NH2与多孔衬底之间的非均相成核性较差，因此支撑层的化学修饰对于制备连续致密的UiO-66-NH2晶体层非常重要。首先采用两步阳极氧化工艺处理支撑层，然后用3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)在氮气环境下进行后处理和改性，获得NH2功能化的纳米通道氧化铝膜支撑体。再通过原位生长的方式成功地在高度有序的基体上生长了大规模(超过250m × 250m)连续无针孔的UiO-66-NH2层，如下图所示。作者首先在氨基功能化的氧化铝膜上原位合成致密的UiO-66-NH2晶体层，后形成非均相亚纳米通道膜UiO-66-NH2@ANM。由于UiO-66-NH2与多孔衬底之间的非均相成核性较差，因此支撑层的化学修饰对于制备连续致密的UiO-66-NH2晶体层非常重要。首先采用两步阳极氧化工艺处理支撑层，然后用3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)在氮气环境下进行后处理和改性，获得NH2功能化的纳米通道氧化铝膜支撑体。再通过原位生长的方式成功地在高度有序的基体上生长了大规模(超过250m × 250m)连续无针孔的UiO-66-NH2层，如下图所示。

研究表明，制备的UiO-66-NH2@ANM 新型非均质膜中，具有亲水性且带正电的UiO-66-NH2层，含有大量埃尺度的亚纳米孔(约6到7 Å)和纳米尺度的空腔并体现出极佳的渗透传输特性。大量的亚纳米尺度的孔道结构可作为离子的过滤器和导体并促进离子的选择性渗透传输，可用于收集渗透能量，氧化铝膜层的则可作为离子的存储层以提升储能能力。UiO-66-NH2@ANM膜在100倍的KBr浓度梯度下可以产生前所未有的高达26.8 W/m2的功率密度和43.7%的能量效率，是目前报道的最高值。由于致密的UiO-66-NH2层所含有的埃尺度的孔道对不同尺度的水合阴离子具有高度的选择性，所以非均相亚纳米通道膜UiO-66-NH2@ANM可以实现对Br- /NO3−的超高的选择性分离，选择性约为1240。

【极高的阴离子选择性实现渗透发电】

这项研究证明了大规模、可持续的MOF基亚纳米通道膜在高选择性和高性能渗透发电中的潜在应用。在研究组未来的工作中，可通过对UiO-66进行功能化学修饰，以在本文中介绍的阴离子选择性亚纳米通道膜作为原型，可进一步扩展到阳离子选择性膜。通过引入高拉伸强度的多孔聚合物膜作为衬底支撑，可望改善非均相亚纳米通道膜的力学性能。此外，在更深入的研究当中，可研究不同种类的MOF膜的离子选择性以及传输能力并扩大MOF基亚纳米通道膜的应用范围。这项研究证明了大规模、可持续的MOF基亚纳米通道膜在高选择性和高性能渗透发电中的潜在应用。在研究组未来的工作中，可通过对UiO-66进行功能化学修饰，以在本文中介绍的阴离子选择性亚纳米通道膜作为原型，可进一步扩展到阳离子选择性膜。通过引入高拉伸强度的多孔聚合物膜作为衬底支撑，可望改善非均相亚纳米通道膜的力学性能。此外，在更深入的研究当中，可研究不同种类的MOF膜的离子选择性以及传输能力并扩大MOF基亚纳米通道膜的应用范围。

来源：高分子科学前沿


上一篇：一文带你彻底了解电子灌封（灌胶）工艺技术
下一篇：解决电解氢过程中氢分离难题，新型聚合膜或推动能源结构升级
相关产品
OLED材料
贵金属催化剂
银材料