Engineering Li/Na selectivity in 12-Crown-4–functionalized polymer membranes

选择性 锂(药物) 化学 聚合物 化学工程 材料科学 纳米技术 有机化学 复合材料 生物化学 工程类 医学 催化作用 内分泌学
作者
Samuel J. Warnock,Rahul Sujanani,Everett S. Zofchak,Shou Zhao,Theodore J. Dilenschneider,Kalin G. Hanson,Sanjoy Mukherjee,Venkat Ganesan,Benny D. Freeman,Mahdi M. Abu‐Omar,Christopher M. Bates
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:118 (37) 被引量:176
标识
DOI:10.1073/pnas.2022197118
摘要

Lithium is widely used in contemporary energy applications, but its isolation from natural reserves is plagued by time-consuming and costly processes. While polymer membranes could, in principle, circumvent these challenges by efficiently extracting lithium from aqueous solutions, they usually exhibit poor ion-specific selectivity. Toward this end, we have incorporated host-guest interactions into a tunable polynorbornene network by copolymerizing 1) 12-crown-4 ligands to impart ion selectivity, 2) poly(ethylene oxide) side chains to control water content, and 3) a crosslinker to form robust solids at room temperature. Single salt transport measurements indicate these materials exhibit unprecedented reverse permeability selectivity (∼2.3) for LiCl over NaCl-the highest documented to date for a dense, water-swollen polymer. As demonstrated by molecular dynamics simulations, this behavior originates from the ability of 12-crown-4 to bind Na+ ions more strongly than Li+ in an aqueous environment, which reduces Na+ mobility (relative to Li+) and offsets the increase in Na+ solubility due to binding with crown ethers. Under mixed salt conditions, 12-crown-4 functionalized membranes showed identical solubility selectivity relative to single salt conditions; however, the permeability and diffusivity selectivity of LiCl over NaCl decreased, presumably due to flux coupling. These results reveal insights for designing advanced membranes with solute-specific selectivity by utilizing host-guest interactions.
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