ConspectusMembranes are pivotal in a myriad of energy production processes and modern separation techniques. They are essential in devices for energy generation, facilities for extracting energy elements, and plants for wastewater treatment, each of which hinges on effective ion separation. While biological ion channels show exceptional permeability and selectivity, designing synthetic membranes with defined pore architecture and chemistry on the (sub)nanometer scale has been challenging. Consequently, a typical trade-off emerges: highly permeable membranes often sacrifice selectivity and vice versa. To tackle this dilemma, a comprehensive understanding and modeling of synthetic membranes across various scales is imperative. This lays the foundation for establishing design criteria for advanced membrane materials. Key attributes for such materials encompass appropriately sized pores, a narrow pore size distribution, and finely tuned interactions between desired permeants and the membrane. The advent of covalent-organic-framework (COF) membranes offers promising solutions to the challenges faced by conventional membranes in selective ion separation within the water-energy nexus. COFs are molecular Legos, facilitating the precise integration of small organic structs into extended, porous, crystalline architectures through covalent linkage. This unique molecular architecture allows for precise control over pore sizes, shapes, and distributions within the membrane. Additionally, COFs offer the flexibility to modify their pore spaces with distinct functionalities. This adaptability not only enhances their permeability but also facilitates tailored interactions with specific ions. As a result, COF membranes are positioned as prime candidates to achieve both superior permeability and selectivity in ion separation processes.In this Account, we delineate our endeavors aimed at leveraging the distinctive attributes of COFs to augment ion separation processes, tackling fundamental inquiries while identifying avenues for further exploration. Our strategies for fabricating COF membranes with enhanced ion selectivity encompass the following: (1) crafting (sub)nanoscale ion channels to enhance permselectivity, thereby amplifying energy production; (2) implementing a multivariate (MTV) synthesis method to control charge density within nanochannels, optimizing ion transport efficiency; (3) modifying the pore environment within confined mass transfer channels to establish distinct pathways for ion transport. For each strategy, we expound on its chemical foundations and offer illustrative examples that underscore fundamental principles. Our efforts have culminated in the creation of groundbreaking membrane materials that surpass traditional counterparts, propelling advancements in sustainable energy conversion, waste heat utilization, energy element extraction, and pollutant removal. These innovations are poised to redefine energy systems and industrial wastewater management practices. In conclusion, we outline future research directions and highlight key challenges that need addressing to enhance the ion/molecular recognition capabilities and practical applications of COF membranes. Looking forward, we anticipate ongoing advancements in functionalization and fabrication techniques, leading to enhanced selectivity and permeability, ultimately rivaling the capabilities of biological membranes.

Abstract Biological ion channels are renowned for their exceptional ion transport selectivity and adaptability to environmental changes, posing a significant challenge for synthetic mimicry. Herein, an innovative covalent–organic‐framework membrane featuring aligned benzothiadiazole units within its oriented 1D nanochannels is reported. These densely arrayed dipolar benzothiadiazole units enhance selective ion adsorption and facilitate membrane charge regulation. Consequently, the membrane can dynamically adjust its permselectivity toward ions, transitioning seamlessly between cation‐selective, ambipolar, and anion‐selective states. This versatility affects both the type of ions transported and the transport efficiency, supporting reversible and controlled membrane operation, as illustrated by the capacity to regulate the magnitude and direction of osmotic power. When interacting with multivalent anions, highly negatively charged channels of the membrane exhibit outstanding cation permselectivity and conductivity. Specifically, upon exposure to PO 4 3− ions, the membrane achieves a remarkable osmotic power of 155 W m −2 and an energy conversion efficiency of 46.1% under salinity gradients of 0.5 and 0.01 m NaCl. Notably, introducing multivalent cations can reverse the polarity of the membrane. This work underscores the potential of exploiting ion‐dipolar interactions for the development of adaptive, ion‐selective membranes with promising applications in electrochemical sensing, energy conversion, and more.

Membrane reactors are known for their efficiency and superior operability compared to traditional batch processes, but their limited diversity poses challenges in meeting various reaction requirements. Herein, we leverage the molecular tunability of covalent organic frameworks (COFs) to broaden their applicability in membrane reactors. Our COF membrane demonstrates an exceptional ability to achieve complete conversion in just 0.63 s at room temperature-a benchmark in efficiency for Knoevenagel condensation. This performance significantly surpasses that of the corresponding homogeneous catalyst and COF powder by factors of 176 and 375 in turnover frequency, respectively. The enhanced concentration of reactants and the rapid removal of generated water within the membrane greatly accelerate the reaction, reducing the apparent activation energy. Consequently, this membrane reactor enables reactions that are unattainable using both COF powders and homogeneous catalysts. Considering the versatility, our findings highlight the substantial promise of COF-based membrane reactors in organic transformations.

Advancing membranes with enhanced solute-solute selectivity is essential for expanding membrane technology applications, yet it presents a notable challenge. Drawing inspiration from the unparalleled selectivity of biological systems, which benefit from the sophisticated spatial organization of functionalities, we posit that manipulating the arrangement of the membrane’s building blocks, an aspect previously given limited attention, can address this challenge. We demonstrate that optimizing the face-to-face orientation of building blocks during the assembly of covalent-organic-framework (COF) membranes improves ion-π interactions with multivalent ions. This optimization leads to extraordinary selectivity in differentiating between monovalent cations and anions from their multivalent counterparts, achieving selectivity factors of 214 for K + /Al 3+ and 451 for NO 3 − /PO 4 3− . Leveraging this attribute, the COF membrane facilitates the direct extraction of NaCl from seawater with a purity of 99.57%. These findings offer an alternative approach for designing highly selective membrane materials, offering promising prospects for advancing membrane-based technologies.

Traditional desalination methods face criticism due to high energy requirements and inadequate trace ion removal, whereas natural light-driven ion pumps offer superior efficiency. Current synthetic systems are constrained by short exciton lifetimes, which limit their ability to generate sufficient electric fields for effective ion pumping. We introduce an innovative approach utilizing covalent-organic framework membranes that enhance light absorption and reduce charge recombination through vertical gradient protonation of imine linkages during acid-catalyzed liquid-liquid interfacial polymerization. This technique creates intralayer and interlayer heterojunctions, facilitating interlayer hybridization and establishing a robust built-in electric field under illumination. These improvements enable the membranes to achieve remarkable ion transport across extreme concentration gradients (2000:1), with a transport rate of approximately 3.2 × 10