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2026
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Nature Communications｜离子识别钠通道COF膜
作者：
英文题目
A covalent organic framework membrane with highly selective and permeable artificial sodium channels via ion recognition
中文题目
通过离子识别实现高选择性和高渗透性人工钠通道的共价有机框架膜
期刊信息：Nature Communications
发表日期：2025年8月9日
DOI：10.1038/s41467-025-62329-1
摘要内容
本研究开发了一种基于共价有机框架（COF）的膜材料，通过在膜中引入15-冠-5醚（15C5）实现了对钠离子（Na⁺）的高度选择性传输。这种DHTA-Hz-15C5膜在单离子传输中展现出极高的Na⁺/K⁺选择性（58.31）和9.33 mmol m⁻²h⁻¹的渗透率，显著优于现有膜材料，接近生物钠通道的性能。理论模拟表明，COF的一维通道结构促进了离子传输，而冠醚对Na⁺的特异性识别显著降低了其能量势垒，从而实现了超高选择性和高渗透性。该研究不仅为开发高效单离子传输材料提供了新思路，还推动了冠醚在纳米受限环境中离子选择性的应用。
研究背景和意义
生物钠通道在细胞中具有高选择性和快速传输钠离子的功能，然而，人工合成的离子通道在选择性和传输效率上仍远低于天然通道。目前，尽管已有研究通过冠醚等材料实现了部分离子选择性，但Na⁺/K⁺选择性超过10⁴的研究仍较少，且传输速率较低。本研究通过将冠醚引入COF膜中，成功解决了现有研究中选择性和渗透性难以兼顾的问题，创新性地实现了超高选择性和高渗透性的人工钠通道，为离子分离、纳米流体器件及水处理等领域提供了新的技术路径。
实验步骤
DHTA-Hz膜的制备是通过在双通道阳极氧化铝（AAO）基底上进行原位生长实现的。首先，将AAO浸入含有2,4-二羟基苯-1,3,5-三甲醛（DHTA）的有机相溶液中，同时在另一侧加入含有水合肼（Hz）和对甲苯磺酸的水相溶液。在30°C下反应3天后，通过甲醇和去离子水清洗膜材料以去除残留单体和催化剂。随后，将DHTA-Hz膜浸泡在含有15-冠-5醚（15C5）的溶液中，在80°C下处理过夜，以实现冠醚的后修饰。最后，经过无水乙醇和去离子水清洗后干燥，得到DHTA-Hz-15C5膜。该膜的结构和性能通过多种表征手段进行了详细分析。
主要结果和结论
实验结果表明，DHTA-Hz-15C5膜在单离子系统中展现出极高的Na⁺/K⁺选择性（58.31）和9.33 mmol m⁻²h⁻¹的渗透率，显著优于未修饰的DHTA-Hz膜和其他已报道的膜材料。在混合离子系统中，该膜表现出更高的选择性（58.31），且Na⁺渗透率高达9.33 mmol m⁻²h⁻¹，而K⁺的渗透率仅为0.16 mmol m⁻²h⁻¹。这些结果表明，通过引入冠醚，膜材料不仅实现了高效的离子选择性，还显著提高了离子传输效率。
详细机理
该膜的高选择性和渗透性主要归因于以下几个机制：首先，COF的一维通道结构为离子传输提供了高效的路径，显著提高了离子渗透性；其次，冠醚的引入缩小了通道尺寸，促进了单价离子的选择性分离；最后，冠醚对Na⁺的特异性识别能力使得Na⁺的能量势垒显著低于K⁺，从而实现了高效的离子选择性传输。理论计算和分子动力学模拟进一步验证了这一机制，表明冠醚与COF通道的协同作用是实现超高选择性和高渗透性的关键。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/6gIvlNrTZZl9TUE_V_I44Q
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