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Toward Selective Transport of Monovalent Metal Ions with High Permeability Based on Crown Ether-Encapsulated Metal–Organic Framework Sub-Nanochannels

材料科学 冠醚 金属有机骨架 金属 水溶液中的金属离子 离子 乙醚 磁导率 化学工程 无机化学 离子运输机 纳米技术 有机化学 冶金 化学 吸附 工程类 生物 遗传学
作者
Jiahao Liu,Baijun Li,LU Guang-wen,Guofeng Wang,Juanjuan Zheng,Liying Huang,Yueyue Feng,Shiwei Xu,Yanan Jiang,Nannan Liu
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (20): 26634-26642 被引量:6
标识
DOI:10.1021/acsami.4c05672
摘要

Achieving selective transport of monovalent metal ions with high precision and permeability analogues to biological protein ion channels has long been explored for fundamental research and various applications, such as ion sieving, mineral extraction, and energy harvesting and conversion. However, it still remains a significant challenge to construct artificial nanofluidic devices to realize the trade-off effects between selective ion transportation and high ion permeability. In this work, we report a bioinspired functional micropipet with in situ growth of crown ether-encapsulated metal-organic frameworks (MOFs) inside the tip and realize selective transport of monovalent metal ions. The functional ion-selective micropipet with sub-nanochannels was constructed by the interfacial growth method with the formation of composite MOFs consisting of ZIF-8 and 15-crown-5. The resulting micropipet device exhibited obvious monovalent ion selectivity and high flux of Li+ due to the synergistic effects of size sieving in subnanoconfined space and specific coordination of 15-crown-5 toward Na+. The selectivity of Li+/Na+, Li+/K+, Li+/Ca2+, and Li+/Mg2+ with 15-crown-5@ZIF-8-functionalized micropipet reached 3.9, 5.2, 105.8, and 122.4, respectively, which had an obvious enhancement compared to that with ZIF-8. Notably, the ion flux of Li+ can reach up to 93.8 ± 3.6 mol h-1·m-2 that is much higher than previously reported values. Furthermore, the functional micropipet with 15-crown-5@ZIF-8 sub-nanochannels exhibited stable Li+ selectivity under various conditions, such as different ion concentrations, pH values, and mixed ion solutions. This work not only provides new opportunities for the development of MOF-based nanofluidic devices for selective ion transport but also facilitates the promising practical applications in lithium extraction from salt-like brines, sewage treatment, and other related aspects.
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