Angew. Chem. :具有贯穿型亚纳米通道的混合基质膜——多功能的纳流平台可实现选择性离子电导

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自然界的生命体实现了对复杂生理过程的智能操纵,生物体中细胞膜上的离子通道在选择性地调控离子进出细胞及其生物学过程中发挥着重要作用。受生物离子通道启发,构筑类细胞膜结构的人工纳流平台,同时兼具高选择性、高通量的离子传输功能具有重要的应用前景,也面临着巨大挑战。


近期,武汉理工大学张鹏超研究员和北京师范大学蒋亚楠副教授合作,在中国科学院理化技术研究所江雷院士、北京师范大学毛兰群教授、武汉理工大学陈文教授的指导下,受细胞膜的生物离子通道结构启发,发展了一种软基底辅助的刮涂制膜新方法,制备了具有贯穿型亚纳米通道的混合基质膜(MMMs),实现了金属离子的选择性电导。



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图1. 具有贯穿型亚纳米通道MMMs的制备示意图

具有贯穿型亚纳米通道MMMs是通过软基底PDMS辅助的刮涂技术制备而成的自支撑膜(PW@PI MMMs)。其中具有多孔结构的普鲁士白(PW)微米颗粒贯穿于致密的聚酰亚胺(PI)基体中,形成亚纳米通道(0.37 ₓ 0.57 nm),实现了一价/二价金属离子的选择性电导(图1)。通过与硬玻璃基底制备的传统MMMs对比,发现该方法制备的膜结构有很大不同。图2显示了PW颗粒在软基底辅助制备的MMMs中具有更好的贯穿效果,这主要归因于PDMS基底的柔软特性和固有的弹性变形能力,使得PW微米颗粒可以在制备过程中贯穿致密的PI基体,可为离子传输提供更多更有效的亚纳米通道。

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图2. 两种MMMs的形貌表征

作者进一步对两种MMMs的离子传输特性进行研究,发现贯穿的PW@PI MMMs具有较高的一/二价金属离子选择性和渗透性(图3)。其中K+/Mg2+的离子选择性高达14.0,测试直径为5 mm时,K+的离子电导可达45.5 µS。这项工作对开发具有贯穿型纳米多孔材料的新型MMMs提供了新的技术路线,也为离子/分子分离、生物传感和能量转换等多方面的应用提供了更多可能性。

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图3.贯穿型MMMs提高了金属离子筛分性能

文信息

Mixed Matrix Membrane with Penetrating Subnanochannels: A Versatile Nanofluidic Platform for Selective Metal Ion Conduction

Chen Li Yanan Jiang, Zihan Wu, Youcai Zhang, Cheng Huang, Sha Cheng, Ya You, Pengchao Zhang, Wen Chen, Lanqun Mao, and Lei Jiang

该工作的第一作者是武汉理工大学硕士研究生李晨,张鹏超研究员和蒋亚楠副教授为论文共同通讯作者。


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202215906




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