Dual-regulated covalent organic framework membranes with near-theoretical pore sizes for angstrom-scale ion separations

共价有机骨架 选择性 单体 化学工程 二价 聚合 共价键 水溶液 界面聚合 扩散 化学 材料科学 聚合物 分子动力学 离子 多孔性 高分子化学 工作(物理) 制作 多孔介质 半透膜 纳米技术 分子 合成膜 分子扩散 色谱法 金属有机骨架
作者
Xiao Fan Hu,Ting Jiang,Hanqing Fan,Yan-Fang Guan,Jie‐Jie Chen,Han-Qing Yu,Menachem Elimelech
出处
期刊:Science Advances [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:11 (46)
标识
DOI:10.1126/sciadv.ady3587
摘要

Fabricating covalent organic framework (COF) membranes with molecular size cutoffs matching theoretical pore sizes is essential for selective angstrom-scale aqueous separations. We report a dual-regulation interfacial polymerization strategy to fabricate COF membranes with pore sizes approaching theoretical values, using Brønsted acid and organobase in separate phases to synchronously control polymerization and self-healing, as supported by molecular simulations of monomer diffusion and liquid chromatography–mass spectrometry analysis for component tracing. The dual-regulation COF membranes achieve a selectivity of 267 in single-salt test and an actual selectivity of 234 for K + /Mg 2+ in binary systems, demonstrating a threefold increase in mono/divalent cation separation compared to single-phase–regulated membranes. Additionally, we elucidate the untrapped and trapped transport of hydrated monovalent and divalent cations within the confined cavities through molecular dynamics simulations. This work provides an alternative approach to COF membrane fabrication and advances their application in precise sieving for water purification and resource recovery.
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