Large-Area Supramolecular Crystalline Thin Films of Polyoxometalates with Controlled 1-nm Pores Enabling Ultra-Selective Molecular Transport

超分子化学 多金属氧酸盐 化学 纳米孔 多孔性 薄膜 纳米技术 选择性 烷基 化学工程 自组装 分子动力学 超分子组装 分子识别 多孔介质 分子 模板 聚合物 表面改性
作者
Priyanka Dobariya,Vinay Thakur,Amrutha A,Karan Marvaniya,Ashish Maurya,Pradip Pachfule,Prashant Kumar,Raghavan Ranganathan,Shilpi Kushwaha,Ketan Patel
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (3): 3280-3290
标识
DOI:10.1021/jacs.5c17644
摘要

Achieving angstrom-level control over porosity is a long-standing challenge in translating molecular design into selective membranes. We present the supramolecular assembly of crown-type [P8W48O184]40- polyoxometalate (POM) by alkylammonium functionalization using [CnH2n+1]4N+, where n = 4 (Q4P8), 7 (Q7P8), and 10 (Q10P8), into continuous POM thin films (POMbranes) featuring periodically aligned ∼1 nm intrinsic pores (Ip) of P8 (visualized with electron microscopy). Alkyl chain length modulations direct supramolecular packing and tune the extrinsic porosity (Ep) in POMbranes across large lateral dimensions (∼50 cm2) while preserving IP. Q7P8 and Q10P8 POMbranes with restricted Ep enforce precise sieving via Ip, whereas Q4P8 permits dual-path transport through Ip and Ep, as confirmed by cross-flow separations and molecular dynamics simulations. Q7P8 and Q10P8 POMbranes deliver single-digit pore selectivity (Isoporosity) and ∼10× higher separation efficiency for narrow molecular weight differences (100-200 Da) than state-of-the-art benchmark membranes, establishing a scalable strategy to embed crystalline nanopores for selective separation.
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