【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】離子-離子選擇性膜分離技術(shù)是全球水-能源聯(lián)結(jié)領(lǐng)域的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。這種膜對離子的選擇性分離性能主要源于膜表面電荷及膜孔納米限域結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用。然而，膜電荷對相似離子的選擇性遷移行為的微觀作用機(jī)制尚不明晰，且納米膜孔內(nèi)限域作用對離子選擇性跨膜遷移的影響機(jī)制也有待深入探索。闡明膜結(jié)構(gòu)與電荷介導(dǎo)下的膜離子選擇性機(jī)制，系統(tǒng)識別納米膜孔限域結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵要素，厘清其對離子選擇性跨膜傳輸性能之間的構(gòu)效關(guān)系，對發(fā)展高性能離子選擇性膜材料和膜技術(shù)具有重要指導(dǎo)意義。
 

　　圍繞亞納米孔膜結(jié)構(gòu)和電荷對一價離子選擇性跨膜傳輸微觀影響機(jī)制不明這一難題，課題組與以色列理工學(xué)院Razi Epsztein教授及美國范德堡大學(xué)林士弘教授合作，通過對膜表面電荷密度的精準(zhǔn)調(diào)控，深入解析納米多孔膜中多種一價金屬陽離子跨膜遷移行為，首次定量揭示了膜表面靜電效應(yīng)對遷移反離子(陰離子)脫水吸附的促進(jìn)作用，從而通過阻礙其分配而影響鹽的整體跨膜傳輸；研究還證實低水合能離子更傾向于在高表面電荷影響下脫水，并顯著影響其選擇性過孔遷移。相關(guān)研究成果以“Electrostatic-driven dehydration of ions in nanoporous membranes”為題于近日發(fā)表于Science Advances(DOI: 10.1126/sciadv.adv0174)。
 

圖1. 膜表面強(qiáng)靜電效應(yīng)介導(dǎo)一價陽離子脫水及其跨膜遷移機(jī)制
 

　　針對納米限域結(jié)構(gòu)影響膜離子選擇性的機(jī)制不清的問題，課題組圍繞離子選擇性膜分離相關(guān)研究，系統(tǒng)歸納了亞納米孔膜材料中納米限域結(jié)構(gòu)特征及其離子特異性跨膜傳輸過程，闡明了限域孔道結(jié)構(gòu)對不同離子的選擇性跨膜傳輸機(jī)制，展望了離子選擇性分離膜領(lǐng)域未來所面臨的研究挑戰(zhàn)與發(fā)展方向。相關(guān)研究成果以封面論文發(fā)表于ACS Nano(Ion–Ion Selectivity of Synthetic Membranes with Confined Nanostructures, DOI: 10.1021/acsnano.4c00540)。
 

圖2. 亞納米孔膜材料中限域孔道結(jié)構(gòu)對不同離子的選擇性跨膜傳輸機(jī)制
 

　　論文的第一作者為清華大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生劉鎧瑞，唯一通訊作者為孫猛研究員。研究得到了中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心曲久輝院士的細(xì)心指導(dǎo)。該系列工作由國家自然科學(xué)基金(52270043)、國家重點研發(fā)計劃政府間國際科技創(chuàng)新合作專項項目(2023YFE0113800)、國家重點研發(fā)計劃青年科學(xué)家項目(2024YFC3715000)、北京市自然科學(xué)基金(8242030)等項目資助。