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11
2026
-
05
Nat. Commun.: 只改“入口”不堵“通道”，MXene仿生膜突破选择性–通量极限
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背景
在水处理、盐湖提锂与资源回收等领域，实现单价/多价离子的*分离至关重要。然而，这类离子在尺寸与水合结构上的差异*其微小，使膜分离长期受制于一个经典难题：选择性–通量权衡难以突破。当前主流策略多通过在纳米通道内部引入功能基团来增强选择性，但这往往会阻碍离子传输路径，导致通量下降。因此，如何在不牺牲传输效率的前提下提升离子识别能力，成为亚纳米通道膜设计的核心挑战。
创新
近日，受生物离子通道启发，南京大学潘丙才、张炜铭教授团队联合澳大利亚昆士兰大学张西旺院士团队提出“通道入口定向功能化策略”，实现识别与传输的空间解耦。具体而言，在MXene层状膜的亚纳米通道入口处，定向锚定α-环糊精（α-CD）分子，构建类似生物“选择性过滤器”的结构。由于MXene纳米片边缘与表面电荷分布的不对称性，α-CD能够优先定位在通道入口，而不会进入层间通道内部，从而实现“入口功能化、通道保持畅通”的结构设计。在这一体系中，α-CD在入口处对离子进行选择性识别：单价离子通过与环糊精边缘氧原子的多点配位，降低进入通道的能量代价，而多价离子由于水合壳更稳定，难以获得足够能量补偿，从而被有效阻挡。与此同时，通道内部保持原始低阻力结构，使单价离子能够快速通过。得益于这一机制，膜实现超过10³的单/多价离子选择性，同时保持高单价离子通量，突破了传统膜的性能*限。
意义
该工作通过“入口工程”实现离子识别与传输路径的空间分离，将传统“通道内改性”转变为“通道入口调控”，从根本上解决了选择性与通量之间的矛盾。更重要的是，研究提出了一种新的离子分离机制——基于水合结构差异导致的传输路径分化，而非单纯依赖结合能差异。这一发现为理解亚纳米通道中的离子行为提供了新的理论视角。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/uRv06ROXxUI6XYOsPvZY0A
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