发展多级非对称、双离子选择层的纳米通道并用于智能感知离子传输
通过超组装策略,在AAO表面分别旋涂介孔氧化硅与介孔聚合物。经过蒸发诱导自组装及煅烧过程,便可得到最终的介孔碳/氧化铝/介孔氧化硅(MC/AAO/MS)纳米通道。MC/AAO/MS具有丰富的孔隙率、有序的孔道结构,为离子传输提供了丰富的途径。同时,MC以及MS表面具有丰富的负电荷,为MC/AAO/MS提供了双离子选择性层。多组分通道赋予了MC/AAO/MS智能离子传输性能。
图1. 多级非对称的MC/AAO/MS构筑策略图(来源:Adv. Mater.)
MC/AAO/MS的非对称结构使得其呈现出智能整流性能。通道内丰富的表面电荷确保了其可控的离子传输行为。双离子选择层的存在,一方面赋予了MC/AAO/MS更强的表面电荷控制能力,比其他单极非对称纳米通道呈现出更高的离子电导;另一方面导致MC/AAO/MS呈现出更高的离子选择性。实验以及理论计算结果均表明,多级非对称结构以及双离子选择层是导致MC/AAO/MS产生高离子选择性的原因。另外,非对称结构使得MC/AAO/MS优先将离子从MC一侧传输到MS一侧,呈现出智能离子传输行为。
图2. MC/AAO/MS离子传输图(来源:Adv. Mater.)
由于MC、AAO及MS层的表面电荷可以通过pH进行调控,因此MC/AAO/MS可以感知pH,进而实现pH调控的智能门控性能及离子选择性。由于MS层具有非常好的质子传输能力,所以在低的pH下,MC/AAO/MS可以实现高的离子电导;而MC在碱性条件下具有更高的表面电荷,所以MC/AAO/MS在高的pH下亦呈现出更高的离子电导。另外,通过调节pH可以改变纳米通道的电荷极性,因此MC/AAO/MS可以感知外界pH,实现智能离子选择性传输。
图3. MC/AAO/M智能pH门控性能(来源:Adv. Mater.)
最后,研究了该智能纳米通道的盐差能转换性能。得益于双离子选择层的存在,MC/AAO/MS呈现出更高的阳离子选择性及优越的盐差能转换性能。相比较于其他单极非对称的纳米通道膜,MC/AAO/MS可以更好地抑制浓差极化现象。即使在高的测试面积下,MC/AAO/MS仍然可以实现高的盐差能转换性能。该工作提供了一种新的策略,通过制备具有多级非对称结构、双离子选择层的智能纳米通道器件用于高性能的盐差能转换。
图4. MC/AAO/MS的高效盐差能转换性能(来源:Adv. Mater.)
该工作近期发表在《先进材料》上(Adv. Mater. 2022, DOI: 10.1002/adma.202208903),复旦大学博士研究生周姗为第一作者,复旦大学孔彪研究员为通讯作者。研究工作得到了国家重点研发计划基金、国家自然科学基金的资助。原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面):