青島能源所基于共價(jià)有機框架材料層間空隙構筑出完美選擇性仿生質(zhì)子通道
在生物體中,質(zhì)子的濃度比其它離子低六七個(gè)數量級,為控制質(zhì)子傳輸、維持pH平衡,生物質(zhì)子通道采用了一種與其它離子通道不同的傳輸機制,它并不需要一個(gè)開(kāi)放的通道來(lái)傳輸物質(zhì),而是內部形成一條連續的氫鍵線(xiàn),質(zhì)子可以在線(xiàn)上連續跳躍,這種獨特的機制可以阻止離子和水分子的遷移,從而實(shí)現了完美的質(zhì)子選擇性,允許質(zhì)子快速傳輸的同時(shí)阻止其它一切離子和分子的傳輸。
受此啟發(fā),青島能源所高軍研究員帶領(lǐng)的仿生能源界面技術(shù)研究中心界面仿生工程研究組和四川大學(xué)的黃青松教授團隊合作,利用共價(jià)有機框架材料(COF)的層間空隙構筑了具有完美選擇性的仿生質(zhì)子通道。在以往研究中,人們一般利用與COF膜垂直的納米孔傳輸物質(zhì),但這些孔道比一般離子和分子大,難以阻止離子、分子的傳輸??紤]到COF實(shí)際上是一個(gè)層層堆疊的構型,層與層之間有著(zhù)極窄的空隙,這些空隙的高度比除質(zhì)子外的任何物質(zhì)都要小,因此可以實(shí)現完美的質(zhì)子選擇性。
在實(shí)驗中,研究團隊證實(shí)了任何離子或分子都無(wú)法擴散通過(guò)仿生質(zhì)子通道,但質(zhì)子的擴散速率與本體水的擴散速率處于同一數量級。密度泛函理論計算表明,水分子和 COF 材料形成氫鍵線(xiàn)使得質(zhì)子可以連續跳躍。研究進(jìn)一步發(fā)現,質(zhì)子傳輸速率可以通過(guò)調整官能團的酸度來(lái)調節,酸性強的基團可以提升質(zhì)子傳輸速率,但無(wú)論何種基團,質(zhì)子的完美選擇比均可以保持。
本文第一作者為四川大學(xué)與青島能源所的聯(lián)培博士李琪以及青島能源所博后高宏飛。工作獲得了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃以及青島能源所(山東能源研究院)自主部署等項目的支持。(文/圖 高軍)
圖 1.TpPa-SO3H 膜的結構與表征
圖 2.TpPa-SO3H 層間的完美選擇性質(zhì)子傳輸
圖 3. 可調控的質(zhì)子滲透速率
原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202402094
Qi Li1,2?, Hongfei Gao2?, Yongye Zhao2, Bo Zhou2, Lei Yu2, Qingsong Huang1*, Lei Jiang3, Jun Gao2, 4, 5* Covalent Organic Framework Interlayer Spacings as Perfectly Selective Artificial Proton Channels. Angew. Chem. Int. Ed.2024, e202402094
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