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In Situ Characterization of Dehydration during Ion Transport in Polymeric Nanochannels

化学 溶剂化 溶剂化壳 离子 离子运输机 化学物理 分子 离子键合 纳米流体学 化学工程 原位 纳米技术 渗透 有机化学 材料科学 工程类 生物化学
作者
Chao Lu,Chengzhi Hu,Cody L. Ritt,Xin Hua,Jingqiu Sun,Hai-Lun Xia,Ying‐Ya Liu,Dawei Li,Baiwen Ma,Menachem Elimelech,Jiuhui Qu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:143 (35): 14242-14252 被引量:90
标识
DOI:10.1021/jacs.1c05765
摘要

The transport of hydrated ions across nanochannels is central to biological systems and membrane-based applications, yet little is known about their hydrated structure during transport due to the absence of in situ characterization techniques. Herein, we report experimentally resolved ion dehydration during transmembrane transport using modified in situ liquid ToF-SIMS in combination with MD simulations for a mechanistic reasoning. Notably, complete dehydration was not necessary for transport to occur across membranes with sub-nanometer pores. Partial shedding of water molecules from ion solvation shells, observed as a decrease in the average hydration number, allowed the alkali-metal ions studied here (lithium, sodium, and potassium) to permeate membranes with pores smaller than their solvated size. We find that ions generally cannot hold more than two water molecules during this sterically limited transport. In nanopores larger than the size of the solvation shell, we show that ionic mobility governs the ion hydration number distribution. Viscous effects, such as interactions with carboxyl groups inside the membrane, preferentially hinder the transport of the mono- and dihydrates. Our novel technique for studying ion solvation in situ represents a significant technological leap for the nanofluidics field and may enable important advances in ion separation, biosensing, and battery applications.
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