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05
2026
-
08
Science子刊：电场“编程”离子通道，COF膜实现单/双价离子分离
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背景
在海水淡化、锂资源提取等关键场景中，单价与二价离子的*分离始终是膜科学中的核心难题，其本质源于水合离子尺寸、电荷作用以及配位动力学的复杂耦合关系。尽管天然离子通道能够通过精确的配位结构和动态调控实现高度选择性，但人工膜体系通常受限于静态孔结构与均一表面化学环境，难以复制这种精细识别能力。近年来，具有有序纳米通道的共价有机框架（COF）膜为离子分离提供了新的平台，但现有策略多依赖尺寸筛分或电荷排斥，难以在复杂多离子体系中实现高选择性与高通量的统一，尤其是在功能分子引入过程中，随机分布或结构破坏问题进一步限制了性能提升。
创新
近日，华中科技大学杨家宽教授、袁书珊教授团队提出了一种电化学限域策略，在COF一维纳米通道内实现分子识别单元的定向构筑与空间有序分布。通过电场引导，将经典多齿配位分子EDTA*锚定于1.1 nm孔径的TFP-Tag通道中，形成沿传输方向梯度分布的结合位点，构建出类生物的“锥形纳米通道”结构。在该结构中，通道上游富含负电荷与配位位点，可优先捕获并滞留二价离子；而下游区域孔径更大、环境更利于单价离子迁移，从而实现传输路径上的功能分区。这种“离子捕获–延迟–释放”的协同机制产生显著的传输滞后效应，使二价离子在通道中被有效阻滞，而单价离子则能够快速通过。基于这一机制，膜在多离子体系中实现了Na⁺通量10.6 mmol m⁻² h⁻¹以及超过500的Na⁺/Mg²⁺选择性，显著优于现有膜材料。
意义
该工作突破了传统膜分离中“结构静态、功能均一”的设计范式，通过电场驱动的分子级有序组装，实现了纳米通道内功能分布的*调控，将离子筛分从单一物理筛分拓展到“结构–化学–动力学”协同调控的新层次。这种“离子陷阱”型通道设计不仅成功打破了选择性与通量之间的权衡关系，也为复杂体系中多价离子精细分离提供了通用策略。更广泛地看，该研究为构建仿生离子通道和*资源分离膜材料提供了重要理论框架和技术路径，有望在锂资源回收、水处理及电化学分离等领域产生深远影响。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/J1oVQL9bW95SJLwTBze8HA
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