国家纳米中心在单分子层COF膜反常输运机制研究中获进展

2023-08-13 18:13:35 来源：国家纳米科学中心收藏

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近日，中国科学院国家纳米科学中心研究员唐智勇和李连山团队，在单分子层COF膜中的反常纳流体输运机制的研究中取得重要进展。相关研究成果以Anomalous Mechanical and Electrical Interplay in a Covalent Organic Framework Monolayer Membrane为题，在线发表在《美国化学会会志》（JACS）上。

近年来，人造纳米孔道内机械力激发的离子输运，因与生物离子通道的机械力响应性的相似性而备受关注。目前，压力响应的离子通道集中于一维的碳纳米管、二维的纳米狭缝及单层石墨烯膜上的单纳米孔。这些纳流膜材料体系因低的孔密度或长的输运通道，离子通量均很低，因此在电场驱动离子输运的基础上，外部机械压力均导致跨膜离子电导的增加。相反，因难以制备同时具有高孔密度和短传输路径的纳流体膜，具有超高离子通量的纳流膜内的动-电耦合驱动离子输运现象未有报道。

该团队探索了具有超高渗透性的共价有机框架单分子层膜中的离子传输行为。研究发现单分子层COF膜的高孔密度和分子级厚度，导致低膜阻力和出色的离子和水透过性能，使其区别于石墨烯中的长纳米管、缝隙和单一纳米孔。该研究揭示了新颖的不依赖于外部电场和机械压力的压力诱导跨膜电流降低现象。Poisson-Nernst-Planck模拟及计算结果表明，一方面，单分子层COF膜的超高离子和水通量，使得电场驱动的由于电容效应导致的离子在膜左、右两侧表面的积聚大幅下降；另一方面，外部压力驱动水流运动，使COF膜表面电容层快速耗散，之后，压力主要驱动正（负）电极表面双电层内的负（正）离子跨膜输运，产生的流体电流方向与电场驱动离子输运产生的电流方向相反，二者叠加，总跨膜离子电流低于纯电场驱动产生的跨膜离子电流，呈现出压力 “关闭”跨COF膜离子输运的效果。这种现象是由于COF单分子层膜的超高渗透性引起的电场和外部压力之间的新耦合机制。这一研究为机械压力调节膜电导提供了新模式，有望在智能离子器件的开发中获得应用。

研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金和中国科学院战略性先导科技专项（B类）等的支持。

论文链接

具有超高离子通量的COF单层膜及单层石墨烯膜上的单纳米孔内的动-电耦合机理对比。在具有超高离子通量的COF单层膜内（图a、b），电场驱动下，膜表面的电容层电荷积聚极弱（图c），动电流产生于压力驱动的电极表面双电层内的电荷输运（图d）；而对于单层石墨烯膜上的单纳米孔，因单孔的离子通量很低而导致强的电容效应，膜表面的电荷集聚很强（图e），形成强电容层，动电流产生于压力驱动的电容层内的电荷输运（图f）。

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