共價有機框架（共價有機框架）具有剛性、高度有序和可調結構，可以積極主動操縱熵選擇性和焓選擇性的協同作用，作為下一代離子分離膜材料具有巨大的潛力。天津大學姜忠義教授團隊在該工作中用共價有機框架膜高效地分離一價陽離子。共價有機框架膜的通道用三種不同的酸基團裝飾。提出了一個約束級聯分離的概念來闡明分離過程。共價有機框架膜的通道由兩種結構域組成，即酸結構域和無酸結構域。酸結構域作為限制階段，呈現高選擇性，而無酸結構域保持原始通道尺寸，呈現高滲透通量。設計了一套階段性質的描述符來闡明它們對選擇性離子輸運行為的影響。所得到的共價有機框架膜具有較高的離子分離性能，對K+/Li+二元混合物的實際選擇性為4.2-4.7，對K+/Li+的理想選擇性為~為13.7。該工作是利用約束級聯分離分離單價離子混合物的先驅。
圖1共價有機框架納米片和納米膜的製備和形貌表徵。(a)用三相界面聚合方法合成共價有機框架納米片和用過濾方法製備共價有機框架膜的示意圖。(b)用於製備共價有機框架納米片和膜的TpPa-PO3H2、TpPa-SO3H和TpPa-CO2H的醛和二胺的化學式和分子骨架。(c)(d)製備的TpPa-PO3H2納米片的形貌。(e)通過TpPa-PO3H2納米片過濾組裝獲得的TpPa-PO3H2膜的數位圖和掃描電鏡圖像。（圖片來源：Nature Communications）
圖2共價有機框架膜的化學、晶體和孔隙結構的表徵。(a)13C固體核磁表徵。(b) PXRD。(c)(d)孔徑和結構示意圖。(e) 2D-GIWAXS圖。(f)共價有機框架膜的水接觸角。(g)共價有機框架膜的QCM光譜。（圖片來源：Nature Communications）
圖3(a)水合酸基結構模擬。(b)在共價有機框架膜中的水合酸基團的示意圖。(c)受限水層評價的接觸AFM測量原理及受限水層對應的跳躍接觸區方案。(d)在高取向熱解石墨上的可變共價有機框架納米片的力-距離曲線。(e)可變共價有機框架納米片的跳躍-接觸區長度。(f)在25°C和90% RH條件下收集的TpPa-CO2H、TpPa-PO3H2和TpPa-SO3H的代表性介電損失譜。(g)由共價有機框架膜的介電損耗譜產生的弛豫時間。（圖片來源：Nature Communications）
圖4一價陽離子通過共價有機框架膜的選擇性轉運。(a)不同直徑的一價陽離子在TpPa-PO3H2、TpPa-SO3H和TpPa-CO2H膜上的擴散係數。(b)在用於選擇性離子傳輸的共價有機框架膜內提出的封閉級聯分離示意圖。(c)不同水化能條件下共價有機框架膜的輸運性能。(d)不同組密度下共價有機框架膜的傳輸性能。(e)約束階段不同群距離下共價有機框架膜的傳輸性能。(f)共價有機框架膜在不同級數下的傳輸性能。（圖片來源：Nature Communications）
圖5(a) TpPa-PO3H2、TpPa-SO3H和TpPa-CO2H膜對一價陽離子二元混合物的分離性能。(b) TpPa-SO3H膜在不同pH條件下對一價陽離子二元混合物的分離性能。(c) TpPa-SO3H膜對一價陽離子二元混合物的分離性能。(d)本研究中共價有機框架膜與文獻中其他代表性膜在濃度驅動構型下分離一價陽離子的二元混合物的比較。(e)計算了沿通道的勢平均力（PMF），以及TpPa-SO3H通道中各種陰離子和水分子的概率分布。（圖片來源：Nature Communications）
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