研究团队展示了用于选择性电化学分离的卤素键合这是实现可持续化学加工的途径

研究人员利用一种仅在电激活时从溶液中吸引某些物质的新型聚合物，朝着可持续化学分离迈出了重要一步。

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究小组在JACSAu杂志上首次报道了由卤素键驱动的选择性电化学分离。

他们通过设计一种聚合物来实现这一目标，这种聚合物在通电时可以调节卤素原子上的电荷密度。这种聚合物随后会从有机溶液中只吸引某些目标物，例如卤化物、氧阴离子，甚至有机分子，这一特性对药物和化学合成过程具有重要意义。

“化学分离就像制造一块海绵，只吸收混合物中你想要的化学物质，”化学与生物分子工程教授、项目负责人肖苏说。“虽然电化学分离在某些情况下得到使用，但要确保它们只吸收所需的物质是非常具有挑战性的。在这项研究中，我们在分子水平上制造了一种‘电海绵’，它只挑选出混合物中的特定成分。”

在工业环境中，化学分离通常通过基于热的工艺或膜过滤来实现，但这些方法会产生材料浪费。基于电化学机制的替代方法可以最大限度地减少浪费，并从可持续电力来源中受益。虽然此类机制已在海水淡化等应用中使用，但它们对吸引的物质没有区别。

研究人员通过一种名为卤素键合的化学相互作用实现了选择性电分离，其中目标分子被卤素原子上的强部分正电荷(称为“sigma空穴”)吸引到对氧化还原敏感的卤素供体聚合物上。

研究团队利用这种相互作用设计了一种含有卤素碘原子和二茂铁的聚合物，二茂铁是一种活性氧化还原中心，当外部通电时，它可以调节碘的键合强度。当二茂铁氧化时，碘的σ空穴被打开，产生强大的正电荷，吸引带负电的离子。

“卤素键合是基础化学中一个研究得很好的领域，尽管它很狭小，但我们的团队是第一个采用这一概念并用它来开发出一种实用的‘海绵’的团队，”苏研究小组的研究生、这项研究的主要作者NayeongKim说道。“卤素键合的强度决定了选择性，因为它能挑选出对卤素原子有高亲和力的离子。”

苏的研究小组设计了这种具有氧化还原活性的聚合物，然后在各种有机溶液中对其进行了测试。在发现这种聚合物确实可以从混合物中选择特定离子后，研究人员使用核磁共振和拉曼散射实验证实了卤素键的存在。苏的团队与化学和生物分子工程教授亚历克斯·米罗年科(AlexMironenko)合作，后者领导了对这种聚合物的计算研究，以了解氧化还原中心活化的潜在机制。

“现在我们已经展示了分子电化学分离，下一步将涉及改进和扩大该过程，”苏说。“这包括探索扩大规模的策略，如级联模型，以提高最终产品的纯度，设计一个连续的电吸附系统，然后在实验室条件之外研究该过程。”