Advanced Functional Materials:光驱动主动离子输运系列进展(六)

利用完全非生物材料实现抗浓度梯度的主动输运,是仿生能量转换领域的一项巨大挑战。此前,人工合成的体系大都需要有生物组件的参与。基于超分子体系的主动输运,其瓶颈在于,需要质量是所输运物质成百上千倍的载体分子参与,并且这些体系需要存在于液态膜或磷脂膜中。这些特性大大降低了主动输运体系的效率和稳定性,使其并不能得到实际应用。

最近,由中国科学院理化技术研究所,郭维研究员领导的科研团队提出了一种由膜材料光电特性诱导的驱动模式,将光生载流子在膜上的扩散与离子在层间的传输耦合起来,通过非对称光照,实现了二维离子通道膜中的主动输运 [Nat. Commun. 2019, 10, 1171]。这种驱动模式可以使水合半径在4.5 Å以下的多种离子产生抗浓度梯度的输运,其输运速率远高于经典扩散。进一步,该研究团队深入挖掘了一系列能够诱导产生主动输运的非对称因素(如图),包括非对称膜厚 [Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1907549],非对称几何形状 [Small 2020, 16, 1905557],异质的光化学反应 [Adv. Mater. 2019, 31, 1903029],二维材料的光电特性等 [Small 2019, 15, 1905355]。并且基于这种主动输运模式,发展了光致离子开关、二极管、场效应管、以及探索了其在高通量海水淡化方面的应用 [Adv. Mater. 2020, 32, 1903954]。 作为该研究方向的第六项重要进展,该研究团队采用一种非传统的抽滤二维材料胶体溶液的方法,称为双流体抽滤 (dual-flow filtration, 如图),制备了具有平面异质结构的二维层状材料。利用异质膜表面电势在光照下的非对称极化,在全局光照的条件下,实现了横向跨膜的主动质子传输,和产生跨膜质子浓度梯度。实验中,在100 mW/cm2的光照条件下,这种平面异质的二维多层膜所能实现的最大质子传输速率达到14.8 mol h-1 m-2,皆高于以往人工合成体系所能实现的输运速率。相关论文在线发表于 Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202001549)。