Designing Angstrom‐Scale Asymmetric MOF‐on‐MOF Cavities for High Monovalent Ion Selectivity

材料科学 离子键合 化学物理 离子 选择性 膜 纳米技术 化学 有机化学 生物化学 催化作用
作者
Mojtaba Abdollahzadeh,Milton Chai,Ehsan Hosseini,Mohammad Zakertabrizi,Munirah Mohammad,Hadi Ahmadi,Jingwei Hou,Sean Lim,Asghar Habibnejad Korayem,Vicki Chen,Mohsen Asadnia,Amir Razmjou
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:34 (9): e2107878-e2107878 被引量:129
标识
DOI:10.1002/adma.202107878
摘要

Abstract Biological ion channels feature angstrom‐scale asymmetrical cavity structures, which are the key to achieving highly efficient separation and sensing of alkali metal ions from aqueous resources. The clean energy future and lithium‐based energy storage systems heavily rely on highly efficient ionic separations. However, artificial recreation of such a sophisticated biostructure has been technically challenging. Here, a highly tunable design concept is introduced to fabricate monovalent ion‐selective membranes with asymmetric sub‐nanometer pores in which energy barriers are implanted. The energy barriers act against ionic movements, which hold the target ion while facilitating the transport of competing ions. The membrane consists of bilayer metal‐organic frameworks (MOF‐on‐MOF), possessing a 6 to 3.4‐angstrom passable cavity structure. The ionic current measurements exhibit an unprecedented ionic current rectification ratio of above 100 with exceptionally high selectivity ratios of 84 and 80 for K + /Li + and Na + / Li + , respectively (1.14 Li + mol m −2 h −1 ). Furthermore, using quantum mechanics/molecular mechanics, it is shown that the combined effect of spatial hindrance and nucleophilic entrapment to induce energy surge baffles is responsible for the membrane's ultrahigh selectivity and ion rectification. This work demonstrates a striking advance in developing monovalent ion‐selective channels and has implications in sensing, energy storage, and separation technologies.
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