2022年5月19日，Journal of the American Chemical Society在线发表了中国科学技术大学徐铜文教授团队在新型离子分离膜领域的最新研究成果：“Highly Ion-Permselective Porous Organic Cage Membranes with Hierarchical Channels”。化学与材料科学学院徐婷婷博士、安徽大学伍斌副教授、侯林逍博士为该文章的共同第一作者，李兴亚副研究员、葛亮副研究员和徐铜文教授为共同通讯作者。该工作得到国家自然科学基金委的支持。

  离子选择性分离作为膜分离技术的重要应用领域，涉及资源回收再利用、能源转换与存储等重要化工过程，在盐湖提锂、盐水精制（氯碱工业）、高盐废水资源化、液流电池和盐差能发电等领域均有涉及。面向“双碳”的国家战略目标，针对节能减排和传统产业转型升级等国家重大需求，离子分离技术的进步对于化学工业生产的可持续发展具有重要意义。

  中国科学技术大学徐铜文教授团队自2011年开始在一/二价离子选择性分离膜开发、传质机理研究和分离应用等方向开展了深入研究。团队提出了利用分子自组装调控离子选择性传输通道的新策略（J. Membr. Sci., 2019, 581, 150.；J. Membr. Sci., 2018, 563, 320.；Chem. Eng. J., 2020, 382, 122838.）；利用表面原位聚合反应，实现超薄分离层中纳米锥形孔的构筑，缩短了离子传递路径（J. Membr. Sci., 2018, 557, 49.；Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 131, 12776.；J. Membr. Sci., 2020, 594, 117453.）。在此基础上，团队开发了具有自主知识产权的膜产品体系，为离子选择性分离膜的规模化制备和产业化积累了丰富的经验。为了深入研究离子在限域孔道内的传质行为及分离机理，团队提出以具有规则孔道结构、骨架结构参数明确的多孔连续框架材料为模型，在埃米精度下实现离子传输通道的精确定制和孔道性质精密调控，达到了高效、精准的离子分离效果；定量化通道关键结构参数，初步揭示了埃米尺度下离子限域传质机制（ChemSusChem, 2019, 12, 2593.；Nano-Micro Lett., 2020, 12, 51.；J. Membr. Sci., 2020, 615, 118608.；Adv. Mater. 2021, 33, 2104404.）。

图1 CC3离子分离膜 

  研究团队还通过分子动力学模拟计算了离子在通道中迁移的自由能面，揭示了离子在离散CC3框架通道中的传输路径（图3a）。离子在CC3通道中由一个外腔传递到另一个外腔过程，以不同的水合状态通过CC3的窗口从外腔向内腔迁移，传递的能垒顺序为：K⁺ < Na⁺ <Li⁺ << Mg²⁺（图3b）。这项工作揭示了离子在POC离散框架通道中的传递特性，为开发高离子渗透选择性分离膜提供了理论指导。

图3 离子在CC3通道中的传递轨迹

  原文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.2c00318