Covalent–Organic‐Framework Membrane with Aligned Dipole Moieties for Biomimetic Regulable Ion Transport

材料科学 共价键 纳米技术 偶极子 离子 化学物理 有机化学 化学 生物化学
作者
Zhuozhi Lai,Yuqing Ai,Weipeng Xian,Qing Guo,Qingwei Meng,Shijie Yin,Sai Wang,Li Zhang,Yubing Xiong,Banglin Chen,Qi Sun
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:34 (49) 被引量:2
标识
DOI:10.1002/adfm.202409356
摘要

Abstract Biological ion channels are renowned for their exceptional ion transport selectivity and adaptability to environmental changes, posing a significant challenge for synthetic mimicry. Herein, an innovative covalent–organic‐framework membrane featuring aligned benzothiadiazole units within its oriented 1D nanochannels is reported. These densely arrayed dipolar benzothiadiazole units enhance selective ion adsorption and facilitate membrane charge regulation. Consequently, the membrane can dynamically adjust its permselectivity toward ions, transitioning seamlessly between cation‐selective, ambipolar, and anion‐selective states. This versatility affects both the type of ions transported and the transport efficiency, supporting reversible and controlled membrane operation, as illustrated by the capacity to regulate the magnitude and direction of osmotic power. When interacting with multivalent anions, highly negatively charged channels of the membrane exhibit outstanding cation permselectivity and conductivity. Specifically, upon exposure to PO 4 3− ions, the membrane achieves a remarkable osmotic power of 155 W m −2 and an energy conversion efficiency of 46.1% under salinity gradients of 0.5 and 0.01 m NaCl. Notably, introducing multivalent cations can reverse the polarity of the membrane. This work underscores the potential of exploiting ion‐dipolar interactions for the development of adaptive, ion‐selective membranes with promising applications in electrochemical sensing, energy conversion, and more.
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