近日，杭州高等研究院“双龙学者”特聘教授王赛与浙江大学孙琦研究员合作，在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）在线发表学术论文Efficient Light-Driven Ion Pumping for Deep Desalination via the Vertical Gradient Protonation of Covalent Organic Framework Membranes。该刊物是国际化学类顶级期刊之一（中科院一区TOP期刊），最新影响因子为14.4。
去离子水在各行各业中具有重要应用，当前主要的生产方法是反渗透技术，但其去离子效果有限，难以去除1 ppm以下的离子，同时能耗较高，常常需要结合离子交换树脂进一步深度去除离子，且存在较大的污染问题。生物体内的光驱动离子泵能够利用太阳光，将极低浓度的离子高效浓缩，这为实现深度去离子提供了重要的启示。然而，目前的合成光离子泵系统受到光生激子寿命较短的制约，导致其难以产生足够的电场来实现高效的离子泵。
表1 反渗透、离子交换和光驱动离子泵三种海水淡化方法的比较。
共价有机框架材料的出现为此问题提供了新的解决思路。通过将给体和受体结构单元引入晶格中，能够在材料内部实现光生电荷的转移。然而，这种构建策略对于提高载流子寿命的效果有限。若能在膜的层间构建电子转移机制，就能够建立垂直于膜平面的电场，从而大幅提高离子泵的效率。本文提出了一种通过亚胺键的垂直梯度质子化来增强光吸收并减少电荷复合的技术，这一技术在酸催化的液-液界面聚合过程中得以实现。该技术创新性地构建了层内和层间的异质结，促进了层间的杂化，并在光照下建立了强大的内置电场。这些改进使得膜能够在极端浓度梯度（2000:1）下实现优异的离子传输，传输速率约为每秒每平方厘米3.2 × 1012个离子，能够将离子浓度降低到十亿分之一。与传统的反渗透系统相比，这一性能显著提升，极大地降低了能源消耗和二次浪费，标志着太阳能海水淡化技术的重大进展。
图1. 垂直质子化梯度的共价有机框架膜利用太阳能进行海水淡化示意图。
图2 离子泵性能评估。a) 50到2000倍KCl浓度梯度和光电流的关系，展示了离子泵在高达2000倍浓度梯度下有效输送离子的能力。b) 在400 mW cm⁻1氙灯下，COF-PyTa膜在1000倍盐浓度梯度(1 mM / 1 μM)下的光电流，(i) KCl、(ii) NaCl、(iii) MgCl2、(iv) CaCl2、(v) 四种盐的等摩尔混合物，灰色背景表示浓度梯度驱动扩散电流，彩色背景表示主动泵送离子的电流。c) 在自然光照射下，COF-PyTa膜的光电流，两侧为KCl溶液，浓度梯度为1000倍（1 mM / 1 μM）。d) 在自然光照射下，COF-PyTa膜的循环光电流，两侧为四种盐的等摩尔混合物，低浓度侧为0.1 μM（KCl、NaCl、MgCl2、CaCl2各0.025 μM），高浓度侧为2 μM（各0.5 μM）。灰色背景表示由扩散引起的被动电流，彩色背景表示由主动泵送离子所产生的电流。为验证膜的光响应可逆性，特意设定了不同光照与不光照的时间间隔。e) 在阳光照射下，使用经过初步反渗透处理、电导率为1.2 μS cm⁻1的水样测量COF-PyTa膜的光电流。
编辑：盛灿灿
