有機小分子分離膜和單分子層共價有機框架膜研究獲進展

近日，中國科學院國家納米科學中心研究員唐智勇和李連山團隊，在有機小分子分離膜和用于有機體系鹽差能轉化的單分子層共價有機框架（COF）膜研究方面取得進展。有機小分子分離膜的相關工作以Regulating the Layered Stacking of a Covalent Triazine Framework Membrane for Aromatic/Aliphatic Separation為題，發表在《德國應用化學》上。單分子層膜的相關工作以Boosting Osmotic Energy Harvesting from Organic Solutions by Ultrathin Covalent Organic Framework Membranes為題，發表在《納米快報》上。

分離功能膜材料在諸多領域具有應用價值，尤其是在水體系中的應用。而相較于水體系，膜材料在有機體系中的應用嚴重滯后。研究團隊在前期分離功能膜材料在水體系鹽差能轉化和限域膜通道中納米流體輸運機制研究的基礎上，進一步探索分離功能膜在有機體系中的應用。

目前，異構體、共沸物等有機小分子混合物分離、離子分離及其衍生的離子電子器件、生物膜通道和神經擬態器件等是膜技術的科學前沿。其中，芳烴和脂肪烴的膜分離是石油工業中的關鍵要求。然而，由于缺乏能夠耐受有機溶劑、具有分子特異性且便于加工的膜材料，這項任務面臨較大挑戰。為此，該團隊提出通過采用混合單體制備共價三嗪框架膜的策略。將一個空間單體與一個平面單體共聚，能夠微妙地調節孔徑和膜親和力，使得分子量低于200道爾頓的芳烴優先于脂肪烴滲透，從而實現了芳烴/脂肪烴混合物的全液相分離。研究發現，分子尺寸篩選和滲透分子與膜之間的親和力的協同效應在分離這些相似的有機小分子中起關鍵作用。此外，該膜在實際操作條件下表現出優異的穩定性。這種多功能共聚策略為制備芳烴/脂肪烴選擇性膜提供了可行的途徑，有望解決通過膜技術分離有機小分子的挑戰。

通過反向電滲析從廢棄的有機溶液中提取滲透能是有前景的能源提取方式。該團隊采用界面預組裝聚合策略合成了單分子層厚度的COFs薄膜，用于研究其在有機溶液中的離子傳輸行為。這種超薄COF膜在有機溶液中呈現出電荷控制的離子傳輸行為。納米尺度限制效應對分子間相互作用的影響，導致了溶液表觀粘度的變化，使得離子傳導率與溶液粘度倒數之間的關系偏離了經典理論下的線性關系。此外，研究分析了這種超薄COF膜在有機系統中的鹽差能轉化，結果顯示在1000倍濃度梯度下，膜表現出超過84.5 W/m² 的高輸出功率密度，且具有良好的轉化效率和穩定性。這些發現為未來有機納流體研究和有機系統鹽差能轉化提供了理論指導。

研究工作獲得國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院戰略性先導科技專項（B類）等的支持。?