生物离子通道可以将目标离子与竞争离子高选择性分离，它们的分离性能仍是人工材料无法企及的。然而，我们可以从中获得启示用于提升人工材料的性能，并应用于能源和环境领域。例如，随着电动汽车产业的快速发展，锂的需求急剧增加，盐湖提锂、海水提锂受到越来越多的关注。从盐湖或海水中提锂的材料必须具有极高Li⁺/Mg²⁺或Li⁺/Na⁺选择性，而这正是当前分离材料领域的重大挑战。生物离子通道实现高选择性分离的机制是多维度的。这些通道具有埃级尺寸，可以适配目标离子并排斥较大的离子；另外，通道表面具有丰富的基团与目标离子发生特异性识别；其次，通道表面的基团可以强烈吸引并富集目标离子，这种富集作用可以显著增强目标离子电导。利用以上机制的协同效应，生物离子通道可以在排斥竞争离子的同时增强目标离子传输，从而显著放大选择性。受生物启发，近日我校化材学院刘楠楠特聘教授课题组构筑了埃级尺寸的冠醚柱撑通道，即1-氮杂-15-冠-5插层的碱式硝酸锌（A15C5-pillared ZHN），将以上效应集成到材料中，实现了高选择性锂离子传输。其中，通道的埃级尺寸可以排斥双价离子，而冠醚对碱金属离子有特异性识别功能，可以促进锂的传输，阻碍钠的传输，另外，所构筑的通道与锂离子相互作用强，可以高效富集锂离子，最高可将锂离子电导提升多个数量级。为了评估材料提锂的潜力，刘楠楠特聘教授团队制备了含不同浓度LiCl (25 μM至0.5 M)和固定浓度NaCl（0.5 M）的二元离子混合物，将提锂装置置于离子混合物和超纯水之间，使离子沿浓度梯度扩散(图2F)。在锂离子浓度与海水中相近（25 μM）时，材料可以放大锂离子电导，有效Li⁺/Na⁺选择性高达1422。这些结果表明离子富集对提高Li⁺选择性的重要性。上述成果以“Highly Selective Lithium Transport through Crown Ether Pillared Angstrom Selective Lithium Transport through Crown Ether Pillared Angstrom Channels”为题发表在国际顶级期刊《Angew. Chem. Int. Ed.》上。

图1：生物离子通道的选择性过滤器及仿生冠醚柱撑通道的构筑。

我校化材学院2021届研究生叶婷艳（现上海交通大学在读博士生）、中科院青岛生物能源与过程研究所博士后高宏飞、中科院青岛生物能源与过程研究所联培博士生李琪为共同第一作者，温州大学化材学院刘楠楠特聘教授、青岛大学刘学丽教授和中科院青岛生物能源与过程研究所高军研究员为共同通讯作者。

该研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院青能所/山能院/青岛新能源省实验室强基计划等项目的资助。

文章链：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202316161