Forschungsgruppen unter der Leitung von Prof. Xu Tongwen und Prof. Li Xingya von der University of Science and Technology of China (USTC) haben das Konzept der vollständigen Dehydratisierung von Ionen vorgeschlagen und Kronenethermembranen mit Metall-organischen Gerüsten (MOF) hergestellt, die das Problem der präzisen Trennung von Ionen in komplexen Systemen lösten. Die Forschungsergebnisse waren veröffentlicht In Wissenschaftliche Fortschritte.
Die effiziente und präzise Trennung von Ionen erfordert wichtige chemische Prozesse wie die Lithiumgewinnung aus Salzseen, die Meerwasseraufbereitung und die Nutzung von salzhaltigen Abwasserressourcen. Die Ionen in diesen Systemen haben komplexe Zusammensetzungen und ihre Größen liegen alle im Angström-Bereich, was eine technische Herausforderung darstellt, die in der aktuellen chemischen Trennindustrie gelöst werden muss.
Den bisherigen Forschungsergebnissen des Teams zufolge halfen die Membrankanäle im Angström-Maßstab den Ionen bei der teilweisen Dehydratisierung und förderten den Ionentransfer und die Siebung. Um den Fluss und die Selektivität monovalenter Ionen weiter zu verbessern, setzten die Forscher ihre Arbeit fort.
Ziel der Forscher war es, das In-situ-Wachstum von MOF-Confinement-Kronether-Membranen (CE@UiO-66) unter milden Bedingungen (30 °C) zu erreichen, wobei durch Ausnutzung der Fenster-Hohlraum-Struktur von UiO-66 eine „perfekte Einschließung“ der Kronenether-Moleküle erreicht wurde.
Das UiO-66 hatte ein Fenster von ~8 Å und einen Hohlraum von ~12-15 Å. Basierend auf dem Größenanpassungseffekt war es möglich, Dibenzo-15-Krone-5 (DB15C5) oder Dibenzo-18-Krone-6 (DB18C6) mit einer Molekülgröße von ~12 Å einzuschränken. Die UiO-66-Membran hatte ein Fenster von ~8 Å und einen Hohlraum von ~12-15 Å.
Im Vergleich zu ursprünglichen UiO-66-Membranen zeigten CE@UiO-66-Membranen höhere Permeationsraten und Selektivitäten für monovalente Ionen aufgrund des synergistischen Effekts der UiO-66-Fenstergrößenabschirmung und der Kronenether-Wechselwirkungsabschirmung, die eine vollständige Dehydratation der monovalenten Ionen ermöglichte.
Im konzentrationsgesteuerten System zur binären Ionentrennung lagen der Fluss einwertiger Kationen (z. B. K+) und die Selektivität einwertiger/zweiwertiger Kationen (z. B. K+/Mg2+) im Bereich von 0,9 bis 1,2 Mol m2h-1 bzw. 30 bis 60.
Berechnungen nach dem ersten Prinzip und Moleküldynamiksimulationen zeigten, dass die einwertigen Ionen beim Durchgang durch die DB18C6@UiO-66-Höhle vollständig dehydriert wurden, was zu einem schnellen Transfer einwertiger Ionen mit einer niedrigeren Energiebarriere führte (Transferenergiebarriere: K+++2+). Die endgültige Ionen-Transmembranrate betrug: K+> Na+> Li+> Mg2+.
Die Studie liefert theoretische Anleitungen für den Aufbau präziser Trennmembranen für Ionen in komplexen Systemen.
Mehr Informationen:
Tingting Xu et al., Perfekte Einschließung von Kronenethern in einer MOF-Membran zur vollständigen Dehydratation und zum schnellen Transport einwertiger Ionen, Wissenschaftliche Fortschritte (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adn0944