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2026

Nat. Commun.: 仿生“氯离子通道”，氢键有机框架膜实现Cl⁻/SO₄²⁻高选择性与低能耗分离

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一、背景：高盐废水资源化亟需高选择性阴离子膜

在氯碱工业和高盐废水资源化过程中，Cl⁻/SO₄²⁻的分离至关重要。例如，在高盐废水制备高纯NaCl的电渗析（ED）过程中，理想的膜应当快速传导Cl⁻，同时有效阻隔SO₄²⁻。然而，传统阴离子交换膜往往难以同时实现高通量与高选择性，长期受制于“渗透性–选择性”权衡。自然界中的生物离子通道为这一问题提供了灵感。CLC家族氯离子通道能够在复杂生理环境中实现**Cl⁻传输，同时排斥其他竞争阴离子。其机制来源于两个关键特征：1）*微孔尺寸的动态适应性；2）布置的氢键供体位点，可在离子脱水过程中提供能量补偿。然而，在人工膜体系中同时复制“尺寸自适应”和“脱水能补偿”这两种机制，仍然是一个重大挑战。

二、创新：仿生氢键有机框架构建自适应“人工氯通道”

近日，中国科学技术大学徐铜文院士团队构建了一种基于氢键有机框架（HOF）的仿生阴离子膜——HOF-DAT膜，成功模拟CLC氯通道的结构特征，实现了**Cl⁻/SO₄²⁻选择性与优异通量。其核心设计包括：

1. 尺寸自适应的*微孔通道

HOF-DAT由二氨基三唑构建二维分子片层，自组装形成*微孔通道。该通道可在离子通过时发生微小结构膨胀，降低空间排斥，使小尺寸Cl⁻脱去较少水分子即可通过（仅脱去约3个水分子），而SO₄²⁻则需脱去更多水合壳层（约6.8个水分子），形成显著脱水能差异。

2. 氢键“低黏度”补偿微环境

通道内丰富的–NH–氢键供体位点为部分脱水的Cl⁻提供弱配位稳定，形成“低黏度”补偿环境，有效降低脱水能垒（仅12 kJ·mol⁻¹）。而SO₄²⁻因水合结构与通道匹配性较差，难以获得有效补偿，从而被显著抑制。

得益于这种“差异脱水–能量补偿”机制，该膜实现了：

Cl⁻/SO₄²⁻选择性超过400（较现有膜提高数十倍）；

Cl⁻传输速率达3.25 mol·m⁻²·h⁻¹，是商业Neosepta® ACS膜的两倍；

在两级电渗析处理中实现99.62 wt%的NaCl纯度，而商业膜仅为72.86 wt%；

能耗降低28.7%。

这一性能在阴离子筛分膜领域树立了新的标杆。