NATURE NANOTECHNOLOGY：反向選擇性離子交換膜

hzdu 1年前 (2022-10-04) 1718瀏覽

 

  • 導讀

特殊離子選擇性對于膜材料來說是一個非常理想的特性。然而，現有的膜材料由于依賴于電荷、尺寸和水化能的差異，限制了它們靶向運輸單個離子物種的能力。特殊的離子交換膜通過唐南排斥、空間位阻和介電效應的綜合作用，實現了改善的單價-二價選擇性。然而，這些膜很難區分具有相似大小和電荷的離子，所以從復雜流中分離特定離子仍然是一個挑戰。

 

  • 成果背景

為解決這一問題，近日，加州大學副教授David Jassby在“NATURE NANOTECHNOLOGY”上發表題為“A reverse-selective ion exchange membrane for the selective transport of phosphates via an outer-sphere complexation–diffusion pathway”的文章，他報導了一種能夠選擇性轉運磷酸鹽的簡易轉運膜材料的合成、測試和塑造。并通過實驗和理論分析相結合，描述了材料的輸運特性，解釋了優先磷酸鹽輸運的機理。

  • 關鍵創新

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1.展示了一種納米復合離子交換膜材料，使反向選擇性運輸機制可以選擇性地通過一個單一的離子種類。

2.在加入含水的氧化錳納米顆粒后，在未修飾的陽離子交換膜上，膜的磷通量增加了27倍，磷對硫酸鹽、硝酸鹽和氯化物的選擇性分別達到47、100和20。

3.通過配對目標離子和適當納米顆粒之間的離子特異性外球相互作用，這些納米復合離子交換材料原則上可以實現對一系列離子的選擇性輸運。

 

  • 核心數據解讀

圖1 | 膜角色塑造。@ NATURE NANOTECHNOLOGY

a， b，未經修飾的HMO (a) 及 HMO-CEM (b) 的照片。c，d，未修飾的 CEM (c) 和 HMO-CEM (d) 的橫截面 TEM 顯微照片 (d) 顯示 Mn 納米顆粒均勻地包埋在 HMO-CEM 基質中，平均粒徑為 ~79.4 ± 23.1 nm。e，f，XPS 光譜，(e) 顯示 HMO-CEM (黑線)在 ~ 642.8 eV 處的 Mn 峰，表明 Mn 成功地摻入 CEM 中，FTIR 光譜，(f) 在3400 cm-1 (紅框) 處顯示出弱帶，這是由于 -OH 的拉伸和峰展寬在600-700 cm-1處，對應于 MnOx 的拉伸和彎曲振動。

圖2 | 膜的性能和選擇性。@ NATURE NANOTECHNOLOGY

a，未修飾的 CEM，高負荷 HMO-CEM 和低負荷 HMO-CEM 在存在和不存在應用電位的情況下的接收室中的磷酸鹽濃度和 pH。進料液由0.10 M 硫酸氫鈉組成，而接收液為0.05 M 硫酸氫鈉。將0.8 V 電位與 Ag/AgCl (2.0 V 電池電位) 施加在兩根用作進料(陰極)和滲透(陽極)室電極的鉑絲上。對于未修飾的 CEM 和 HMO-CEM，磷酸鹽對競爭陰離子(Cl-，SO42-和 NO3-)的選擇性。c，d，未修飾的 CEM (c) 和 HMO-CEM (d) 的接收室中的磷酸鹽濃度為等摩爾溶液(1mM)的 NaCl，Na2SO4，NaNO3和 NaH2PO4作為進料溶液和18 MΩ DI 水作為滲透液; 0.8 V 的電位相對于 Ag/AgCl (2.0 V 電池電位) 被施加在兩個用作在進料(陰極)和滲透(陽極)室中的電極的 Pt 導線上。誤差線表示標準偏差。

 

圖3 | 磷酸鹽運輸的分子動力學模擬。@ NATURE NANOTECHNOLOGY

a-f，在分子動力學模擬中使用的模擬單元的例子: 所有的原子都顯示為范德瓦爾斯球體 (a) ，水分子是隱藏的 (b) ，聚合物由球棒模型 (c) 表示，只有 HMO 粒子和離子顯示 (d) ，(e)在外球體中的水合水中的磷酸根離子，(f) 吸附的 H2PO4-的擴散途徑。g，HMO-CEM 膜的分子表征，由纏繞的帶電聚合物鏈和包埋的 HMO 顆粒組成，提出了磷酸鹽離子跳躍的選擇性磷酸鹽運輸機制，弱的外球配合物 H2PO4-/HMO 形成于電雙層的 Stern 部分，在流動或弱電場等外力作用下，這些配合物相對來說是可移動的，并且可以在 HMO 粒子周圍遷移。H2PO4-離子從一個 HMO 粒子躍遷到另一個 HMO 粒子，通過凝膠間溶液相，即通過流體飽和的微孔和中孔空間。吸附在 HMO 上的磷酸根離子沿著流動方向或外加電場的方向在粒子電雙層中擴散。

圖4 | 比較實驗值和模型預測。@ NATURE NANOTECHNOLOGY

 

a,通過實驗 (紅色) 和數學模型 (黑色) 測定了三種膜的磷酸鹽通量。b，比較從實驗 (紅色)和數學模型 (黑色) 獲得的磷酸鹽穿過三層膜的傳輸數 (t)。

  • 結論

在這項研究中，作者成功地合成，表征和測試了一類新的膜，允許選擇性運輸磷酸鹽通過 CEM。選擇性分離過程是通過利用磷酸鹽和包埋在膜內的 HMO 納米顆粒之間的特定外球絡合反應來實現的。該技術可用于回收鋰、鈾、金和以氧陰離子形式存在的金屬(包括砷、釩和六價鉻)等其他離子，其中包埋的萃取劑基團與目標離子之間采用類似的外球絡合作用，為下一代新型膜材料的發展奠定了理論研究的基礎。

文獻鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41565-022-01209-x

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