离子-离子选择性膜分离技术是全球水-能源联结领域的关键挑战。这种膜对离子的选择性分离性能主要源于膜表面电荷及膜孔纳米限域结构的协同作用。然而，膜电荷对相似离子的选择性迁移行为的微观作用机制尚不明晰，且纳米膜孔内限域作用对离子选择性跨膜迁移的影响机制也有待深入探索。阐明膜结构与电荷介导下的膜离子选择性机制，系统识别纳米膜孔限域结构的关键要素，厘清其对离子选择性跨膜传输性能之间的构效关系，对发展高性能离子选择性膜材料和膜技术具有重要指导意义。
围绕亚纳米孔膜结构和电荷对一价离子选择性跨膜传输微观影响机制不明这一难题，课题组与以色列理工学院Razi Epsztein教授及美国范德堡大学林士弘教授合作，通过对膜表面电荷密度的精准调控，深入解析纳米多孔膜中多种一价金属阳离子跨膜迁移行为，首次定量揭示了膜表面静电效应对迁移反离子(阴离子)脱水吸附的促进作用，从而通过阻碍其分配而影响盐的整体跨膜传输；研究还证实低水合能离子更倾向于在高表面电荷影响下脱水，并显著影响其选择性过孔迁移。相关研究成果以“Electrostatic-driven dehydration of ions in nanoporous membranes”为题于近日发表于Science Advances(DOI: 10.1126/sciadv.adv0174)。
图1. 膜表面强静电效应介导一价阳离子脱水及其跨膜迁移机制
针对纳米限域结构影响膜离子选择性的机制不清的问题，课题组围绕离子选择性膜分离相关研究，系统归纳了亚纳米孔膜材料中纳米限域结构特征及其离子特异性跨膜传输过程，阐明了限域孔道结构对不同离子的选择性跨膜传输机制，展望了离子选择性分离膜领域未来所面临的研究挑战与发展方向。相关研究成果以封面论文发表于ACS Nano(Ion–Ion Selectivity of Synthetic Membranes with Confined Nanostructures, DOI: 10.1021/acsnano.4c00540)。
图2. 亚纳米孔膜材料中限域孔道结构对不同离子的选择性跨膜传输机制
论文的第一作者为清华大学联合培养博士研究生刘铠瑞，唯一通讯作者为孙猛研究员。研究得到了中国科学院生态环境研究中心曲久辉院士的细心指导。该系列工作由国家自然科学基金(52270043)、国家重点研发计划政府间国际科技创新合作专项项目(2023YFE0113800)、国家重点研发计划青年科学家项目(2024YFC3715000)、北京市自然科学基金(8242030)等项目资助。
