【纳米】单层COF膜内的反常动-电耦合输运机制- 大数跨境

X-MOL资讯

2023-08-20

导读：国家纳米科学中心唐智勇、李连山研究员团队系统研究了具有超高离子通量的单层COF内的动-电耦合驱动离子输运现象及调控规律。在单层COF膜内，作者观察到了反常的压力施加使离子电导降低的新现象

纳米限域空间中的物质传输与体相溶液中相比，存在很大不同。在极度受限的纳米孔道内，纳流输运极大地取决于孔道的理化性质，如：孔尺寸、孔道结构、孔表面化学组成等，因此，产生了形形色色的反常的分子、离子输运现象，如：碳纳米管、二维狭缝内超快的水输运，人造水通道高的水通量及高的水-盐离子选择性，亚纳米孔道内离子库伦阻塞效应的发现等。这些研究成果详细揭示了反常传输现象背后的物理、化学原理，由此，也使得纳流体具有众多潜在应用，如：纳流能量转化、海水脱盐淡化、膜分离、DNA输运调控及测序等。在所有纳流输运行为的研究中，机械压力驱动的离子输运，因其与生命体系中机械力响应的离子输运具有一定类似性，而引起了科学家们极大的研究兴趣。

到目前为止，压力响应的离子通道主要集中于一维碳纳米管、二维亚纳米狭缝纳米孔及原子层厚度的单石墨烯孔等纳流膜体系。在单根碳纳米管内，因碳表面的超润滑特性导致的超快水输运，动（机械压力）-电（电场）耦合驱动的离子输运使得跨膜离子电导与压力呈现二次方的定量关系。在二维亚纳米狭缝纳米孔内，可观察到电压对压力驱动离子输运的调控，且该调控性质显著依赖于水分子、离子与孔道表面之间的摩擦相互作用。近来，原子层厚度的单石墨烯孔内的动-电耦合驱动离子输运也被报道，由电压引起的单石墨烯孔的电容效应可使纯压力驱动的动电流增大。在这些研究中，所使用的材料体系，因孔密度低，或传输路径偏长，离子通量偏低，无一例外，均观察到在电场作用的前提下，额外施加压力，会使跨膜离子电导增大。相反，高通量纳流体系中的动-电耦合调控离子输运尚未被探究，可能的原因为：制备同时具有高孔密度、短离子输运路径的纳米孔道材料仍是不小的挑战。

近日，国家纳米科学中心唐智勇、李连山研究员团队系统研究了具有超高离子通量的单层COF内的动-电耦合驱动离子输运现象及调控规律。与低离子通量的纳流膜中压力的施加使跨膜离子电导增大不同，在单层COF膜内，作者观察到了反常的压力施加使离子电导降低的新现象。结合理论模拟，作者揭示了这一反常现象背后新颖的压力调控离子输运原理，即当纳流膜的离子通量巨幅增大时，低通量体系中电容效应主导的动电流产生将不再适用，相反，压力驱动的电极表面电双层中集聚的离子的输运才是动电流产生的源头。本文发现的反常动-电耦合驱动离子输运现象，具有很好的重现性，对溶液pH、电解质溶液、COF膜的化学结构具有宽的普适性，在智能离子器件的设计与制备领域体现出良好的应用前景。

图1. 低（左）、超高（右）离子通量纳流膜动-电耦合驱动离子输运的机理对比。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

图2. 单层COF膜内反常的动-电耦合驱动离子输运的实验结果。（a, b, c）在电场驱动离子输运的基础上，额外施加压力，跨膜离子电导（流）反常地会下降。（d）因COF膜超高的离子通量，动-电耦合驱动离子输运产生的动电流随压力的增加而非线性增大且趋于饱和。（e, f）反常动-电耦合现象对溶液pH、电解质溶液的普遍适用性。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，论文的第一作者是国家纳米科学中心博士后张晓鹏、副研究员涂斌及硕士研究生曹洲文，通讯作者是国家纳米科学中心李连山研究员。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Anomalous Mechanical and Electrical Interplay in a Covalent Organic Framework Monolayer Membrane

Xiaopeng Zhang^#, Bin Tu^#, Zhouwen Cao^#, Munan Fang, Guangjie Zhang, Jinlei Yang, Yue Ying, Zhifei Sun, Junjun Hou, Qiaojun Fang, Zhiyong Tang, and Lianshan Li*

J. Am. Chem. Soc., 2023, 145, 17786–17794, DOI: 10.1021/jacs.3c04655

导师介绍

唐智勇

https://www.x-mol.com/university/faculty/23158