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Regulating ion affinity and dehydration of metal-organic framework sub-nanochannels for high-precision ion separation

离子 选择性 离子运输机 材料科学 二价 分离过程 纳米技术 化学物理 化学 化学工程 色谱法 有机化学 生物化学 催化作用 工程类 冶金
作者
Rijian Mo,Shuang Chen,Liuqing Huang,Xin-Lei Ding,Saima Rafique,Xing‐Hua Xia,Zhongqiu Li
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:15 (1)
标识
DOI:10.1038/s41467-024-46378-6
摘要

Abstract Membrane consisting of ordered sub-nanochannels has been pursued in ion separation technology to achieve applications including desalination, environment management, and energy conversion. However, high-precision ion separation has not yet been achieved owing to the lack of deep understanding of ion transport mechanism in confined environments. Biological ion channels can conduct ions with ultrahigh permeability and selectivity, which is inseparable from the important role of channel size and “ion-channel” interaction. Here, inspired by the biological systems, we report the high-precision separation of monovalent and divalent cations in functionalized metal-organic framework (MOF) membranes (UiO-66-(X) 2 , X = NH 2 , SH, OH and OCH 3 ). We find that the functional group (X) and size of the MOF sub-nanochannel synergistically regulate the ion binding affinity and dehydration process, which is the key in enlarging the transport activation energy difference between target and interference ions to improve the separation performance. The K + /Mg 2+ selectivity of the UiO-66-(OCH 3 ) 2 membrane reaches as high as 1567.8. This work provides a gateway to the understanding of ion transport mechanism and development of high-precision ion separation membranes.
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