Achieving high permeability and enhanced selectivity for Angstrom-scale separations using artificial water channel membranes.
Achieving high permeability and enhanced selectivity for Angstrom-scale separations using artificial water channel membranes.
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DOI：
10.1038/s41467-018-04604-y
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发表时间：
2018-06-12
影响因子：
16.6
通讯作者：
Kumar M
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Shen YX;Song W;Barden DR;Ren T;Lang C;Feroz H;Henderson CB;Saboe PO;Tsai D;Yan H;Butler PJ;Bazan GC;Phillip WA;Hickey RJ;Cremer PS;Vashisth H;Kumar M
合成聚合物膜对各种高能效分离至关重要，但在渗透性和选择性之间进行权衡会降低其整体效率。这些权衡是由于用于埃尺度分离的无孔膜和用于纳米到微米级分离的多孔膜的结构差异(例如，广泛的孔径分布)。生物膜利用定义良好的埃斯特罗姆尺度的孔来提供特殊的传输特性，并可用作克服这种权衡的灵感。在这里，我们提出了一种基于柱状[5]芳烃人工水通道的生物启发方法的全面演示，从而产生基于人工水通道的嵌段共聚物膜。这些膜具有很强的选择性，截留分子量为~ 500 Da，这是目前膜难以达到的尺寸范围，同时在渗透性方面取得了很大改善(~65 L m−2 h−1 bar−1，与类似评级的商用膜相比，4-7 L m−2 h−1 bar−1)。用于分离的合成聚合物膜需要在渗透率选择性之间进行权衡。在这里，作者展示了嵌入在共聚物膜中的生物灵感柱[5]芳烃人工水道如何在提高选择性的同时仍实现高渗透性。
Synthetic polymer membranes, critical to diverse energy-efficient separations, are subject to permeability-selectivity trade-offs that decrease their overall efficacy. These trade-offs are due to structural variations (e.g., broad pore size distributions) in both nonporous membranes used for Angstrom-scale separations and porous membranes used for nano to micron-scale separations. Biological membranes utilize well-defined Angstrom-scale pores to provide exceptional transport properties and can be used as inspiration to overcome this trade-off. Here, we present a comprehensive demonstration of such a bioinspired approach based on pillar[5]arene artificial water channels, resulting in artificial water channel-based block copolymer membranes. These membranes have a sharp selectivity profile with a molecular weight cutoff of ~ 500 Da, a size range challenging to achieve with current membranes, while achieving a large improvement in permeability (~65 L m−2 h−1 bar−1 compared with 4–7 L m−2 h−1 bar−1) over similarly rated commercial membranes. Synthetic polymeric membranes used for separations suffer from permeability-selectivity trade-offs. Here the authors demonstrate how a bioinspired pillar[5]arene artificial water channel embedded in a copolymer membrane can improve selectivity while still achieving high permeability.
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