阴离子选择性AB堆叠共价有机框架双层膜实现超大渗透能密度输出

研究人员针对渗透膜材料中渗透性与选择性难以兼顾的瓶颈问题，通过精确分子设计和Langmuir-Blodgett(LB)技术构建了阳离子型AB堆叠共价有机框架(EB-COF)双层膜。该膜凭借亚2纳米有序孔道、4.4 mC m-2高电荷密度和71%的孔道利用率，实现了7,174 W m-2的创纪录功率密度，为渗透能转换提供了新策略。

　　

在全球能源转型背景下，如何高效提取水体盐差能成为可持续能源领域的重要课题。传统渗透膜面临"高选择性导致低渗透性"的魔咒，而单层二维材料虽具高渗透性却难以实现理想选择性。这一矛盾的核心在于缺乏对膜材料结构-性能关系的精准调控。

中国科学院化学研究所活体分析化学重点实验室与北京师范大学化学学院的研究团队在《The Innovation》发表突破性成果。他们采用LB界面聚合技术，通过四齿基元4,4',4",4"'-(卟啉-5,10,15,20-四基)四苯甲醛(TFPP)与二齿基元溴化乙锭(EB)的席夫碱缩合，构建了具有亚2纳米孔道的阳离子型AB堆叠EB-COF双层膜。研究通过DFT计算模拟孔道结构，结合AFM、cryo-HRTEM等表征确认其1.3 nm厚度和1.65 nm晶格参数，表面电荷密度达4.4 mC m^-2。

关键技术包括：1) LB界面聚合构建有序双层膜；2) 微纳加工制备100 nm SiN_x支撑孔；3) 跨膜离子传输I-V测试系统；4) COMSOL模拟Poisson-Nernst-Planck输运过程；5) 分子动力学(MD)模拟不同堆叠模式的离子选择性。

【材料设计与表征】

通过DFT计算揭示AB堆叠形成1.2 nm层间距和3.0 nm晶格常数的菱形孔阵，ESP图谱证实吡啶鎓基团赋予膜正电性。HRTEM显示1.65 nm有序孔阵列，AFM测得1.3 nm厚度与模拟值吻合。

【离子传输特性】

在0.5/0.01 M NaCl梯度下，EB-COF展现0.74阴离子迁移数，比中性PDA-COF(0.6阳离子迁移数)高23%。MD模拟显示AB堆叠中Cl^-通量(0.16 ns^-1)是K⁺(0.02 ns^-1)的8倍，而AA堆叠选择性消失。

【渗透能转换性能】

在100 nm支撑孔上实现48 mV渗透电压和950 kA m^-2电流密度，最大功率密度达7,174 W m^-2，是单层石墨烯(13.5 W m^-2)的531倍。8小时连续测试电流仅衰减6%，SEM和拉曼证实膜结构稳定性。

该研究突破了传统膜材料的性能极限，通过AB堆叠几何限制与电荷分布的协同效应，首次实现渗透能转换的千瓦级输出。EB-COF双层膜的高孔道密度(2.46×10¹³ cm^-2)和71%利用率，为设计新一代能源转换膜提供了范式。研究揭示的"堆叠模式-孔道尺寸-电荷密度"三元调控机制，为纳米流体器件开发奠定理论基础。