Comediation of voltage gating and ion charge in MXene membrane for controllable and selective monovalent cation separation

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作者
Xu Wang,Haiguang Zhang,Gaoliang Wei,Jiajian Xing,Shuo Chen,Xie Quan
出处
期刊:Science Advances [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:10 (49) 被引量:1
标识
DOI:10.1126/sciadv.ado3998
摘要

Artificial ion channels with controllable mono/monovalent cation separation fulfill important roles in biomedicine, ion separation, and energy conversion. However, it remains a daunting challenge to develop an artificial ion channel similar to biological ion channels due to ion-ion competitive transport and lack of ion-gating ability of channels. Here, we report a conductive MXene membrane with polydopamine-confined angstrom-scale channels and propose a voltage gating and ion charge comediation strategy to concurrently achieve gated and selective mono/monovalent cation separation. The membrane shows a highly switchable “on-off” ratio of ∼9.9 for K + transport and an excellent K + /Li + selectivity of 40.9, outperforming the ion selectivity of reported membranes with electrical gating (typically 1.5 to 6). Theoretical simulations reveal that the introduced high-charge cations such as Mg 2+ enable the preferential distribution of target K + over competing Li + at the channel entrance, and the surface potential reduces the ionic transport energy barrier for allowing K + to pass quickly through the channel.
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