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Selective Fluoride Transport in Subnanometer TiO2 Pores
ACS Nano ( IF 15.8 ) Pub Date : 2021-10-12 , DOI: 10.1021/acsnano.1c07210 Xuechen Zhou 1 , Mohammad Heiranian 1 , Meiqi Yang 1 , Razi Epsztein 2 , Kai Gong 3 , Claire E White 3 , Shu Hu 1 , Jae-Hong Kim 1 , Menachem Elimelech 1
ACS Nano ( IF 15.8 ) Pub Date : 2021-10-12 , DOI: 10.1021/acsnano.1c07210 Xuechen Zhou 1 , Mohammad Heiranian 1 , Meiqi Yang 1 , Razi Epsztein 2 , Kai Gong 3 , Claire E White 3 , Shu Hu 1 , Jae-Hong Kim 1 , Menachem Elimelech 1
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Synthesizing nanopores which mimic the functionality of ion-selective biological channels has been a challenging yet promising approach to advance technologies for precise ion–ion separations. Inspired by the facilitated fluoride (F–) permeation in the biological fluoride channel, we designed a highly fluoride-selective TiO2 film using the atomic layer deposition (ALD) technique. The subnanometer voids within the fabricated TiO2 film (4 Å < d < 12 Å, with two distinct peaks at 5.5 and 6.5 Å), created by the hindered diffusion of ALD precursors (d = 7 Å), resulted in more than eight times faster permeation of sodium fluoride compared to other sodium halides. We show that the specific Ti–F interactions compensate for the energy penalty of F– dehydration during the partitioning of F– ions into the pore and allow for an intrapore accumulation of F– ions. Concomitantly, the accumulation of F– ions on the pore walls also enhances the transport of sodium (Na+) cations due to electrostatic interactions. Molecular dynamics simulations probing the ion concentration and mobility within the TiO2 pore further support our proposed mechanisms for the selective F– transport and enhanced Na+ permeation in the TiO2 film. Overall, our work provides insights toward the design of ion-selective nanopores using the ALD technique.
中文翻译：
亚纳米 TiO2 孔中的选择性氟化物传输
合成模拟离子选择性生物通道功能的纳米孔一直是推进精确离子-离子分离技术的一种具有挑战性但有前途的方法。受生物氟化物通道中促进氟化物 (F – ) 渗透的启发，我们使用原子层沉积 (ALD) 技术设计了一种高度氟化物选择性的 TiO 2薄膜。制造的 TiO 2薄膜内的亚纳米空隙（4 Å < d < 12 Å，在 5.5 和 6.5 Å 处有两个不同的峰），由 ALD 前驱体的受阻扩散产生（d= 7 Å)，与其他卤化钠相比，氟化钠的渗透速度快了八倍以上。我们表明，特定的Ti-F相互作用补偿F的能量损失- F的分配过程中的脱水-离子进入毛孔，并允许的F的intrapore积累-离子。同时，由于静电相互作用，F -离子在孔壁上的积累也增强了钠 (Na + ) 阳离子的传输。分子动力学模拟探测 TiO 2孔内的离子浓度和迁移率，进一步支持我们提出的选择性 F -传输和增强的 Na + 机制TiO 2薄膜中的渗透。总的来说，我们的工作为使用 ALD 技术设计离子选择性纳米孔提供了见解。
更新日期：2021-10-26
中文翻译：
亚纳米 TiO2 孔中的选择性氟化物传输
合成模拟离子选择性生物通道功能的纳米孔一直是推进精确离子-离子分离技术的一种具有挑战性但有前途的方法。受生物氟化物通道中促进氟化物 (F – ) 渗透的启发，我们使用原子层沉积 (ALD) 技术设计了一种高度氟化物选择性的 TiO 2薄膜。制造的 TiO 2薄膜内的亚纳米空隙（4 Å < d < 12 Å，在 5.5 和 6.5 Å 处有两个不同的峰），由 ALD 前驱体的受阻扩散产生（d= 7 Å)，与其他卤化钠相比，氟化钠的渗透速度快了八倍以上。我们表明，特定的Ti-F相互作用补偿F的能量损失- F的分配过程中的脱水-离子进入毛孔，并允许的F的intrapore积累-离子。同时，由于静电相互作用，F -离子在孔壁上的积累也增强了钠 (Na + ) 阳离子的传输。分子动力学模拟探测 TiO 2孔内的离子浓度和迁移率，进一步支持我们提出的选择性 F -传输和增强的 Na + 机制TiO 2薄膜中的渗透。总的来说，我们的工作为使用 ALD 技术设计离子选择性纳米孔提供了见解。
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