Fast proton-selective transport through covalent organic frameworks in aqueous phase

共价有机骨架 质子输运 质子 共价键 化学物理 化学 氢键 水溶液 化学工程 纳米技术 材料科学 分子 物理化学 有机化学 生物化学 量子力学 物理 工程类
作者
Fang Xu,Yixing Wang,Cheng Lian,Zhi Xu
出处
期刊:Journal of Membrane Science [Elsevier BV]
卷期号:648: 120361-120361 被引量:14
标识
DOI:10.1016/j.memsci.2022.120361
摘要

Covalent organic frameworks (COFs) are expected to be promising candidates as the building block for proton-exchange membranes (PEMs) due to their ordered well-defined nanopore structures with high density and tunable sizes. However, the mechanism of proton-selective transport through COF membranes is still unraveled. We herein investigate the proton-selective transport behaviors through four types of COFs in the aqueous phase. Proton can transport through COF membranes whose effective pore size >8 Å with low free energy barriers of <10 kJ mol−1. Furthermore, molecular analyses manifest that nucleophilic sites on the pore-wall can provide additional pathways for proton and promote the vehicular and Grotthuss transports via increasing the quantities and durability of in-pore hydrogen bonds. This dramatically reduces the energy barrier from ∼42 to ∼12 kJ mol−1 for proton transport especially under confinement (effective pore size <4 Å). Meanwhile, all COF membranes show relatively high methanol penetration barriers. Therefore, COFs with nucleophilic sites or relatively large pores can provide both high proton conductivity (16–60 S m−1) and selectivity (>1 × 104). The revealed mechanisms in this work are expected to not only increase our understandings of proton transport, but also help to design next-generation PEMs with exceptional permselectivity.
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