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近日，中國科學技術大學徐銅文教授團隊在新型多孔材料分離膜精密構筑方面取得突破性進展，報道了一種具有多層次通道結構的多孔有機籠（POC）離子分離膜。該膜表現(xiàn)出優(yōu)異的一價陽離子滲透性和一/二價離子選擇性，研究成果以題為“Highly Ion-Permselective Porous Organic Cage Membranes with Hierarchical Channels”發(fā)表在國際著名期刊Journal of the American Chemical Society上（J. Am. Chem. Soc. 2022. DOI: 10.1021/jacs.2c00318）。這是該課題組近期提出“離子精餾”單元操作（AIChE Journal, 2022, 68, e17710.）后，在1-多價離子分離方面的又一重要成果。

離子選擇性分離作為膜分離技術的重要應用領域，涉及資源回收再利用、能源轉換與存儲等重要化工過程，在鹽湖提鋰、鹽水精制（氯堿工業(yè)）、高鹽廢水資源化、液流電池和鹽差能發(fā)電等領域均有涉及。面向“雙碳”的國家戰(zhàn)略目標，針對節(jié)能減排和傳統(tǒng)產業(yè)轉型升級等國家重大需求，離子分離技術的進步對于化學工業(yè)生產的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

為了深入研究離子在限域孔道內的傳質行為及分離機理，團隊前期提出以具有規(guī)則孔道結構、骨架結構參數(shù)明確的多孔連續(xù)框架材料為模型，在埃米精度下實現(xiàn)離子傳輸通道的精確定制和孔道性質精密調控，達到了高效、精準的離子分離效果；定量化通道關鍵結構參數(shù)，初步揭示了埃米尺度下離子限域傳質機制（J. Membr. Sci., 2020, 615, 118608; Adv. Mater., 2021, 33, 2104404.）。

為進一步提升離子滲透選擇性，團隊通過界面生長策略首次構筑了自具離散框架結構的POC（CC3）離子分離膜，研究離子在多層次通道中的傳遞行為與分離特性。CC3是一種具有亞納米級窗口和納米級空腔的離散分子，通過窗口對窗口排列，形成由POC內腔和POC間外腔組成的連續(xù)通道。CC3亞納米窗口可篩分一/二價離子，納米空腔為一價離子提供快速傳遞途徑，自具離散框架結構的離子通道可降低離子與框架壁面碰撞消耗的能量，促進離子滲透選擇性的提升。因此，CC3膜表現(xiàn)出很高的一價陽離子滲透速率（1.0 mol m?2 h?1）和極低的二價陽離子透過率，實現(xiàn)了高的離子選擇性，比如K+/Mg2+的選擇性~1031，Na+/Mg2+的選擇性~659，Li+/Mg2+的選擇性~283（圖1）。通過分子動力學模擬計算了離子在通道中遷移的自由能面，揭示了離子在離散CC3框架通道中的傳輸路徑（圖2a）。離子在CC3通道中由一個外腔傳遞到另一個外腔過程，以不同的水合狀態(tài)通過CC3的窗口從外腔向內腔遷移，傳遞的能壘順序為：K+ < Na+ <Li+ << Mg2+（圖2b）。這項工作揭示了離子在POC離散框架通道中的傳遞特性，為開發(fā)高離子滲透選擇性分離膜提供了理論指導。

圖1 CC3膜的一/二價離子分離性能

圖2 離子在CC3通道中的傳遞軌跡

中國科學技術大學徐婷婷博士，安徽大學伍斌副教授和侯林逍博士為該文章的共同第一作者，李興亞副研究員、葛亮副研究員和徐銅文教授為共同通訊作者。該研究工作得到國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學基金等專項經費的資助。

文章鏈接：https://doi.org/10.1021/jacs.2c00318