Exceptional Monovalent Anion Selectivity in One-Dimensional Rectifying Metal–Organic Framework Subnanochannels

选择性 离子 金属有机骨架 材料科学 纳米技术 水溶液中的金属离子 离子运输机 化学 电极 组合化学 有机化学 物理化学 吸附 催化作用
作者
Sijia Shi,Chen Zhao,Yuqi Wang,Jue Hou,Huanting Wang,Huacheng Zhang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:19 (24): 22054-22064
标识
DOI:10.1021/acsnano.5c02063
摘要

Selective anion transport is crucial for water treatment, energy harvesting, and biosensing. Inspired by biological anion channels known for their exceptional selectivity, permeability, and rectification properties, replicating these functions in artificial channels is highly desirable to enhance sensitivity in ion detection and reduce energy consumption in separation processes; however, accomplishing this remains a significant challenge. In this study, we present monovalent anion-selective channels fabricated from aluminum-based metal-organic frameworks (MOFs), MIL-53-X (X = NH2 and N+(CH3)3), embedded in polymer substrates. These MOFs feature one-dimensional sub-1-nanometer pores and highly positive surface charges. The asymmetric configurations of the synthesized MOF channels promote unidirectional transport of the monovalent anions (Cl- and NO3-), closely mimicking the function of biological anion channels. The resulting channels exhibit excellent Cl-/SO42- selectivity ranging from ∼13 to ∼80 and NO3-/SO42- selectivity from ∼7 to ∼46, along with ion rectification ratios of up to ∼110 for Cl- and ∼93 for NO3-. These results demonstrate the artificial anion channels' high monovalent anion selectivity and unidirectional transport capabilities, offering a promising approach for selective ion electrodes and energy-efficient separation technologies.
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