Forscherteam konstruiert kovalente organische Gerüstmembranen mit Sub-2-Nanometer-Kanälen

24.09.2021 - China

Die Ionentrennung mit Hilfe der Membrantrenntechnologie ist in Bereichen wie Energieumwandlung und -speicherung, Umweltdetektion und Wiederverwendung von Ressourcen von großer Bedeutung. Membranen mit Kanälen im Sub-2-Nanometer-Bereich weisen hohe Ionentransportraten auf, können aber aufgrund fehlender Wasserstoffbrückenbindungen verschiedene Ionen nicht effektiv trennen.

Kovalente organische Gerüstmembranen (covalent organic framework, COF) mit hoch geordneten eindimensionalen Nanokanälen, einheitlicher Porengröße und zahlreichen Wasserstoffbrückenbindungsstellen bieten ein breites Anwendungsspektrum für die Ionentrennung.

In einer in der Zeitschrift Advanced Materials veröffentlichten Studie konstruierte ein Forscherteam unter der Leitung von Prof. XU Tongwen von der University of Science and Technology of China (USTC) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften eine neuartige COF-Membran mit Kanälen im Sub-2-Nanometerbereich und zahlreichen Wasserstoffbrückenbindungen. Die COF-Membran weist eine hohe Permeationsrate für einwertige Kationen und eine niedrige Permeationsrate für mehrwertige Kationen auf.

Die Forscher synthetisierten eine 20-nm-Membran (TpBDMe2) durch eine Strategie des Grenzflächenwachstums. Auf der Grundlage der Infrarot-Charakterisierung von TpBDMe2 unter N2- und Luftatmosphäre fanden sie heraus, dass die Wasserstoffbrückenbindungsstellen im Kanal Wasserstoffbrückenbindungen mit Wassermolekülen eingehen können.

Der Konzentrationsgradientendiffusionstest zeigte, dass TpBDMe2 eine viel höhere Permeationsrate für einwertige Ionen hat als für mehrwertige Ionen. Die Ionenselektivität von TpBDMe2 ist deutlich höher als die der berichteten Sub-2-nm-Kanalmembranen.

Außerdem untersuchten die Forscher den Ionentrennungsmechanismus der COF-Membran. Anhand von Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie (DFT) fanden sie heraus, dass hydratisierte Ionen mit Wasserstoffbrückenbindungen durch den Kanal interagieren und dass mehrwertige Ionen stärkere Wasserstoffbrückenbindungen aufweisen, was zu einer langsameren Transportgeschwindigkeit als bei einwertigen Ionen führt.

Diese Studie bietet eine theoretische Grundlage für den Ionentransportmechanismus in Sub-2-Nanometer-Kanälen sowie für die Gestaltung und Manipulation von Ionentrennmembranen. Auf der Grundlage dieser Studie haben die Forscher die Aufbereitungstechnologie mit geschützten geistigen Eigentumsrechten entwickelt und die Membran in Pilotanlagenversuchen hergestellt.

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