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29
2026
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08
Angew: 化学亲和力遇上电场驱动，载体接力传输实现磷酸盐高通量跨膜回收
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背景
磷是农业生产不可或缺的关键元素，但磷矿资源高度集中、品位持续下降，与此同时，大量磷又随生活污水、工业废水和农业径流进入环境，引发水体富营养化。因此，从含磷废水中回收磷，不仅能够降低环境污染，也有望推动磷资源循环利用。电驱动膜结晶（e-MC）将电渗析的离子迁移与后续结晶相结合，可直接实现磷酸盐富集和高纯盐产品制备，是*具潜力的资源化技术。与传统强调“选择性”的膜分离不同，e-MC更关注目标离子的快速、持续跨膜传输。然而，磷酸根具有特殊的四面体构型和较高负价态，在传统离子交换膜中既受到微孔空间位阻，又面临较强的静电排斥，导致跨膜通量偏低，成为限制e-MC磷回收效率的关键瓶颈。
创新
近日，香港大学汤初阳教授团队受生物膜中载体蛋白促进离子快速跨膜传输机制启发，研究人员提出了一种“载体–载体跳跃”传输机制，构筑电驱动载体传导膜（e-CCM），将磷酸盐的化学亲和作用与电场驱动迁移协同起来。研究通过聚胺笼原位限域单分散水铁矿纳米颗粒，并以Kevlar芳纶纳米纤维作为支撑骨架，在膜内建立大量空间分布的Fe基磷酸盐载体。其中，≡FeOH位点可通过配体交换与磷酸根形成瞬态Fe–O–P配位结构，使磷酸根在相邻载体位点之间不断“结合–解离–再结合”，而外加电场进一步赋予这一过程明确的定向迁移驱动力，从而形成区别于单纯扩散或电迁移的快速传输通道。在5 mA cm⁻²下，e-CCM的磷酸盐渗透速率达到0.92 mol m⁻² h⁻¹，回收率达到98.8%，性能超过现有先进离子交换膜。
意义
这项工作的核心意义并不仅是提高了磷酸盐通量，而是为电驱动膜提出了一种从“调孔径、调电荷”转向“构建化学载体传输网络”的新设计思路：利用载体与目标离子的可逆化学亲和降低跨膜迁移障碍，再借助电场实现载体之间的定向接力传输，从而将化学选择性与电化学驱动力耦合起来。进一步将e-CCM用于模拟尿液处理时，系统实现了93.6%的磷酸盐回收率，并成功获得高纯鸟粪石产品，同时展现出进一步放大并集成至大型膜堆的潜力。由此建立的“载体传导”理念也不局限于磷回收：通过针对不同目标离子设计具有特异亲和作用的载体化学，有望发展出一类面向高通量资源回收的新型电驱动膜，为废水资源化、关键元素回收以及循环经济提供新的膜材料设计范式。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/e62QFMsRf2Eqvsf3-Xf9Nw
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