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Fast Desalination by Multilayered Covalent Organic Framework (COF) Nanosheets

渗透 堆积 材料科学 单层 化学工程 层状结构 纳米孔 离子 纳滤 共价键 分子动力学 化学物理 纳米技术 海水淡化 有机化学 复合材料 计算化学 化学 工程类 生物化学 渗透
作者
Wei Zhou,Mingjie Wei,Xin Zhang,Fang Xu,Yong Wang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:11 (18): 16847-16854 被引量:159
标识
DOI:10.1021/acsami.9b01883
摘要

Covalent organic frameworks (COFs) are penetrated with uniform and ordered nanopores, implying their great potential in molecular/ion separations. As an imine-linked, stable COF, TpPa-1 is receiving tremendous interest for molecular sieving membranes. Theoretically, atomically thin TpPa-1 monolayers exhibit extremely high water permeance but unfortunately no rejection to ions because of its large pore size (∼1.58 nm). The COF monolayers tend to stack to form laminated multilayers, but how this stacking influences water transport and ion rejections remains unknown. Herein, we investigate the transport behavior of water and salt ions through multilayered TpPa-1 COFs by nonequilibrium molecular dynamics simulations. By analyzing both the interfacial and interior resistance for water transport, we reveal that with rising stacking number of COF multilayers exhibit increasing ion rejections at the expense of water permeance. More importantly, stacking in the offset eclipsed fashion significantly reduces the equivalent pore size of COF multilayers to 0.89 nm, and ion rejection is correspondingly increased. Remarkably, 25 COF monolayers stacked in this fashion give 100% MgCl2 rejection, whereas water permeance remains 1 to 2 orders of magnitude higher than that of commercial nanofiltration membranes. This work demonstrates the rational design of fast membranes for desalination by tailoring stacking number and fashion of the COF monolayers.
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