浙江大学孙琦/浙江师范大学王赛JACS丨垂直梯度质子化COF膜以实现高效光驱动离子泵送助力深度海水…

膜技术前沿

Frontiers of membrane technology

传统的海水淡化方法由于高能量需求和微量离子去除不足而面临挑战，而自然光驱动离子泵具有更高的效率。目前的合成系统受到激子寿命短的制约，这限制了其产生足够电场以实现高效离子泵送能力。

2024年11月28日，浙江大学孙琦研究员团队在Journal of the American Chemical Society期刊发表题为“Efficient Light-Driven Ion Pumping for Deep Desalination via the Vertical Gradient Protonation of Covalent Organic Framework Membranes”的研究论文，团队成员县维鹏为论文第一作者，浙江大学博士后王赛（现浙江师范大学青年教师）、孙琦研究员为论文共同通讯作者。

该研究介绍了一种利用共价有机框架膜的创新方法，在酸催化的液-液界面聚合过程中通过亚胺键的垂直梯度质子化来增强光吸收并减少电荷复合。这种技术创造了层内和层间异质结，促进了层间杂化，并在光照下建立了强大的内置电场。这些改进使膜能够在极端浓度梯度（2000:1）下实现出色的离子传输，传输速率约为每秒每平方厘米3.2 × 1012个离子，并将离子浓度降低到十亿分之一。这一性能显著超过了传统的反渗透系统，大幅降低了能源消耗和二次浪费，代表了太阳能海水淡化技术的重大进步。

DOI：10.1021/jacs.4c12829

最近的研究表明，COFs内质子化亚胺键可以通过增强光吸收和延长激子寿命来显著提高光转换效率，在此基础上，研究人员建议在COF膜内建立垂直质子化梯度。这种策略可以通过形成层内和层间异质结构来促进层间杂化，从而利用亚胺键的构建单元和质子化的构建单元之间的能带差异。此外，二维COF膜层的晶格匹配π-π堆叠将能量损失降至最低，从而优化了工艺。事实上，具有垂直质子化梯度的COF膜不仅提高了光吸收，而且增强了电子-空穴分离。这将显著增强光致电场，从而大大提高离子泵的效率。该研究的创新方法是在COF膜中实现垂直梯度质子化，使它们能够在浓度梯度下输运各种盐，最多可达2000倍。这为海水淡化等应用提供了一个有前途、可持续、节能的解决方案。

图1. 膜的合成和表征。(a) 酸催化的液-液界面聚合示意图，用于在跨膜的亚胺键中产生质子化的垂直梯度（垂直于膜平面）。(b) COF-PyTa膜的SEM图像；插图为膜的照片。(c) 比较COF-PyTa(O)和COF-PyTa(W)的ATR-FTIR光谱。(d) 从COF-PyTa(W)侧到COF-PyTa(O)侧，经过不同时间的Ar+连续蚀刻后，COF-PyTa膜的XPS光谱。(e) 1665 cm-1处的AFM-IR强度图，显示了膜截面上的分布。(f) 显示晶体结构变化的PXRD图。(g,h) COF-PyTa和COF-PyTa(Sc)的TEM图像。图2. 光学特性分析。(a) COF-PyTa的(i) 非质子化片段和(ii) 质子化片段的NTO粒子空穴图，说明电子分布变化（金；C,蓝色;N,黄色;S和白色；H）。(b) 不同质子化水平的亚胺键能带结构演化：(i) 非质子化，(ii) 1/4质子化，(iii) 1/2质子化，(iv) 完全质子化，包括(v) COF-PyTa(W)和COF-PyTa(O)之间的能级排列差异。(c) 增强电荷分离的层内和层间异质结构示意图。(d) 黑暗和400nm光照下COF-PyTa(W)和COF-PyTa(O)的CPD测量。(e) COF-PyTa, COF-PyTa(Sc)和COF-PyTa(6 M)在激发峰(690, 698和680 nm)的飞秒分辨率的TA动力学，显示平均弛豫寿命。(f) 黑暗中的EIS Nyquist图。图3. 光驱动离子输运的评估。(a) 对称1mM KCl溶液的I-V曲线。(b) 在功率密度为200 mW cm-2的氙灯和0.1 mM氯化钾溶液下，光驱动离子在不同类型膜上输运的性能比较。(c) 电流振幅对光强和氯化钾浓度的依赖性：0.1 mM氯化钾溶液在不同光强下的电流测量（左）和300 mW cm-2恒定照明下不同氯化钾浓度下的电流测量（右）。(d) 不同处理前后COF-PyTa膜在黑暗和光照（200 mW cm-2）条件下的I-t轨迹。(e) 光照射前后离子通过膜的活化能变化。(f) COF-PyTa膜中光驱动离子传输的长期稳定性，使用对称的0.5 mM氯化钾溶液进行评估。图4. 离子泵性能评估。(a) 零伏电流作为KCl浓度梯度的函数，从50倍到2000倍，说明了基于COF-PyTa的离子泵在高达2000倍梯度下传输离子的能力。(b) 在400 mW cm-2氙灯下，通过COF-PyTa膜在1000倍盐浓度梯度下(i) KCl, (ii) NaCl, (iii) MgCl2, (iv) CaCl2和(v) 四元混合物（每种物质的摩尔浓度相同）的交变照明下记录的循环零伏电流，突出显示了1 mM和1 μM之间的浓度差异。灰色背景表示被动扩散电流，而彩色背景表示主动离子泵电流。(c) 暴露在阳光下，KCl浓度梯度为1000倍（1 mM和1 μM）时，COF-PyTa膜上的零伏电流迹线。(d) 在低浓度为0.1 μM（每浓度为0.025 μM的KCl, NaCl, CaCl2和MgCl2）至2 μM的四元混合物（每浓度为0.5 μM）中，通过COF-PyTa膜在自然阳光下交变暴露的循环零伏电流。灰色背景表示被动扩散电流，而彩色背景表示主动离子泵电流。为了验证膜优异的光反应可逆性，研究人员特别改变了时间间隔来评估膜的离子泵性能。(e) 在阳光照射下COF-PyTa膜上的零伏电流轨迹，对称水样经一次反渗透处理，电导率为1.2 μS cm-1。

总之，通过亚胺键的垂直梯度质子化，该研究成功地开发了具有层内和层间异质结构的COF膜。这些膜表现出更好的光吸收，并保持长寿命的电荷分离状态，其特点是快速的光响应和泵送效率。膜内显著的光致电场驱动离子跨越2000倍浓度梯度进行传输，显著提高了深度脱盐效率。在自然阳光下，这些膜可以进一步从最初通过初级反渗透处理的水中浓缩离子。该研究中的不对称质子化COF膜的通用合成方法可以扩展到各种单体，如2,5-噻吩二甲醛和噻吩[3,2-b] -2,5-二甲醛，显示出优越的光响应离子传输能力。未来的研究重点是优化这些构建单元，预计将进一步提高离子泵的效率，为先进的海水淡化技术提供一种具有成本效益、强大且环保的解决方案。

来源：DFT代算，仅供科研分享，助力科学传播，如有侵权，请联系后台删除。

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原标题：《浙江大学孙琦/浙江师范大学王赛JACS丨垂直梯度质子化COF膜以实现高效光驱动离子泵送助力深度海水淡化！县维鹏一作》

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