El USTC construye membranas de marco orgánico covalente con canales de menos de 2 nanómetros
La separación de iones mediante la tecnología de separación de membranas es de gran importancia en campos como la conversión y el almacenamiento de energía, la detección medioambiental y la reutilización de recursos. Las membranas con canales de menos de 2 nanómetros tienen altas tasas de transporte de iones, pero no logran tamizar eficazmente los distintos iones debido a la falta de sitios de enlace de hidrógeno.
Membranas con canales de menos de 2 nanómetros
Image by SHENG Fangmeng et.al
Las membranas de marco orgánico covalente (COF) con nanocanales unidimensionales altamente ordenados, tamaño de poro uniforme y abundantes sitios de enlace de hidrógeno muestran amplias perspectivas de aplicación en la separación de iones.
En un estudio publicado en Advanced Materials, un equipo de investigación dirigido por el profesor XU Tongwen, de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC) de la Academia China de Ciencias, construyó una novedosa membrana de COF con canales de menos de 2 nanómetros y abundantes sitios de enlace de hidrógeno. La membrana de COF presenta una alta tasa de permeación de cationes monovalentes y una baja tasa de permeación de cationes multivalentes.
Los investigadores sintetizaron una membrana de 20nm (TpBDMe2) mediante una estrategia de crecimiento interfacial. A partir de la caracterización por infrarrojos del TpBDMe2 bajo atmósfera de N2 y aire, descubrieron que los sitios de enlace de hidrógeno en el canal pueden formar interacciones de enlace de hidrógeno con las moléculas de agua.
El ensayo de difusión en gradiente de concentración demostró que el TpBDMe2 tiene una velocidad de permeación mucho mayor para los iones monovalentes que para los multivalentes. La selectividad iónica de TpBDMe2 es significativamente mayor que la de las membranas de canal de menos de 2 nm de las que se tiene constancia.
Además, los investigadores estudiaron el mecanismo de separación de iones de la membrana COF. Mediante cálculos de la teoría funcional de la densidad (DFT), descubrieron que los iones hidratados interactúan con enlaces de hidrógeno a través del canal, y que los iones multivalentes tienen enlaces de hidrógeno más fuertes, lo que provoca una velocidad de transporte más lenta que la de los iones monovalentes.
Este estudio proporciona una base teórica para el mecanismo de transporte de iones en canales sub-2-nanométricos, así como para el diseño y la manipulación de membranas de separación de iones. Basándose en este estudio, los investigadores han desarrollado la tecnología de preparación con derechos de propiedad intelectual propios y han preparado la membrana en pruebas de planta piloto.
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