开发具有增强溶质-溶质选择性的膜对于能源存储、环境清洁和可持续工业实践中的应用至关重要。实现精确的离子鉴别是许多此类过程中的关键挑战。一种普遍采用的方法是利用带电功能团修饰膜以促进选择性离子通过，阳离子通过带正电的膜，阴离子通过带负电的膜，利用Donnan效应。然而，设计能够有效过滤阳离子和阴离子的膜以简化分离过程仍然是一个显著的挑战。Janus膜因其不对称带电表面而闻名，为这种双重过滤提供了潜在的解决方案。尽管如此，它们的更广泛应用受到复杂的制造方法和与其他膜相比通常较低的离子通量率的限制。因此，膜技术的持续创新对于提高离子分离过程的选择性和效率至关重要。
在生物识别领域，蛋白质通道在跨细胞膜运输物质方面表现出卓越的特异性，其中非共价相互作用，尤其是涉及π系统的相互作用，起着关键作用。芳香环独特的四极矩导致独特的电荷分布，π系统带部分负电荷，芳香环周围带部分正电荷。这种结构使其能够与带正电和负电的离子相互作用。虽然芳香族分子和离子之间的相互作用通常很弱，但策略性地排列多个π系统可以大大增强这些相互作用，从而提高选择性。芳香族折叠体就是一个很好的例子，它通过将芳香族分子组织成具有独特介电表面特性的特定结构来展示卓越的离子传输选择性，这对于通过各种π相互作用进行选择性离子传输至关重要。尽管取得了进展，但在利用这种理解开发用于离子分离的合成膜方面仍然存在明显的研究差距。解决这一差距涉及在膜形成过程中操纵芳香族结构单元的方向，期望得到的膜将表现出显著的选择性。
浙江大学孙琦研究员、浙江理工大学张丽教授等研究人员在共价有机框架(COF)膜组装过程中优化构建块的面对面取向可改善离子-π与多价离子的相互作用。这种优化可以非常有选择性地区分单价阳离子和阴离子及其多价对应物，对K+/Al3+的选择性因子达到214，对NO3−/PO43−的选择性因子达到451。利用这一特性，COF膜可以从海水中直接提取纯度为99.57%的NaCl。这些发现为设计高选择性膜材料提供了一种替代方法，为推进基于膜的技术提供了光明的前景。
相关研究成果2024年9月25日以“Optimizing selectivity via membrane molecular packing manipulation for simultaneous cation and anion screening”为题发表在Science Advances上。
分子排列优化：通过优化COF膜构建块的面对面取向，增强了与多价离子的离子-π相互作用，从而提高了对单价和多价离子及阴离子的区分能力。
高选择性：实现了对K+/Al3+和NO3−/PO43−的选择性因子分别达到214和451，这在以往的研究中是未曾报道的。
直接提取NaCl：利用这种COF膜，可以直接从海水中提取NaCl，纯度高达99.57%，这为海水淡化和盐分提取提供了一种新的方法。
无需特定官能团：与以往需要在膜上引入特定官能团以提高选择性的方法不同，这种COF膜即使没有特定的官能团，也能展现出卓越的选择性。
膜的稳定性和可重复使用性：COF膜在长时间的连续操作和多次重复使用中保持了一致的选择性和通量，显示了良好的稳定性和实际应用潜力。
图1.概念设计
图2.COF-170膜的ESP分布和特性
图3.膜离子分离性能与分子填充度的关系
图4.MD模拟
图5.COF-170/PAN离子分离性能评估
这项研究提出了一种替代策略来应对设计能够同时过滤阳离子和阴离子的膜材料的复杂挑战，研究强调了通过战略性地设计运输通道内的分子堆积来实现这种双重功能的可行性，从而消除了进行特定功能修改的必要性。定向2D COF膜内广泛的面对面π-π堆积增强了离子-π之间的相互作用，从而产生了显著的选择性。这项工作不仅为推进离子分离膜材料奠定了坚实的基础，而且还引入了从复杂混合物中选择性提取特定成分的创新视角。展望未来，通过不断优化膜的方向和成分，这些合成工程膜显示出巨大的潜力，不仅可以与天然生物膜的分离效果相媲美，而且有可能超越它们。
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（来源：科学前沿阵地 版权属原作者 谨致谢意）
