Spatial Synergy of Crown Ether Groups in Covalent Organic Framework Nanochannels Enabling Efficient Monovalent Cation Separation

作者
Rijian Mo,Zhong‐Yan Xu,S F Chen,Saima Rafique,Tian-Run Zhang,Xing‐Hua Xia,Zhong‐Qiu Li
出处
期刊:Analytical Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:98 (29): 21660-21669
标识
DOI:10.1021/acs.analchem.6c02518
摘要

Selective ion transport in nanochannels is critical not only for ion extraction but also for analytical applications requiring high-precision ion isolation prior to detection. However, for ions with identical charge and similar size (e.g., Li+, Na+, K+), it is usually difficult to create sufficiently large differences in transport behavior to achieve high selectivity. Here, we report a covalent organic framework (COF) membrane featuring spatially organized 18-crown-6 sites. These uncharged "-CH2-O-CH2-" groups leverage weak yet size-specific coordination with alkali metal ions. The size compatibility and stable binding of K+ with 18-crown-6 significantly lower its transport energy barrier and enhance its flux, yielding monovalent cation selectivity up to 14.5. Furthermore, we demonstrate that K+ ion can be rapidly delivered between the rotatable neighboring 18-crown-6 sites in the COF nanochannel, following a "rotate-and-deliver" mechanism. This study sheds lights on the fundamentals of ion transport within subnanoconfined systems and would stimulate the design of high-performance membranes.
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