Ultraselective Monovalent Metal Ion Conduction in a Three-Dimensional Sub-1 nm Nanofluidic Device Constructed by Metal–Organic Frameworks

选择性 材料科学 金属 金属有机骨架 纳米技术 电导率 离子 水溶液中的金属离子 扩散 化学 物理化学 吸附 冶金 有机化学 催化作用 物理 热力学
作者
Jun Lü,Huacheng Zhang,Xiaoyi Hu,Binbin Qian,Jue Hou,Li Han,Yinlong Zhu,Chenghua Sun,Lei Jiang,Huanting Wang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:15 (1): 1240-1249 被引量:97
标识
DOI:10.1021/acsnano.0c08328
摘要

Construction of nanofluidic devices with an ultimate ion selectivity analogue to biological ion channels has been of great interest for their versatile applications in energy harvesting and conversion, mineral extraction, and ion separation. Herein, we report a three-dimensional (3D) sub-1 nm nanofluidic device to achieve high monovalent metal ion selectivity and conductivity. The 3D nanofluidic channel is constructed by assembly of a carboxyl-functionalized metal-organic framework (MOF, UiO-66-COOH) crystals with subnanometer pores into an ethanediamine-functionalized polymer nanochannel via a nanoconfined interfacial growth method. The 3D UiO-66-COOH nanofluidic channel achieves an ultrahigh K+/Mg2+ selectivity up to 1554.9, and the corresponding K+ conductivity is one to three orders of magnitude higher than that in bulk. Drift-diffusion experiments of the nanofluidic channel further reveal an ultrahigh charge selectivity (K+/Cl-) up to 112.1, as verified by the high K/Cl content ratio in UiO-66-COOH. The high metal ion selectivity is attributed to the size-exclusion, charge selectivity, and ion binding of the negatively charged MOF channels. This work will inspire the design of diverse MOF-based nanofluidic devices for ultimate ion separation and energy conversion.
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