新闻网讯 近日，《自然通讯》（Nature Communications）在线发表了一项关于高性能离子分离膜材料的突破性研究成果，题为“一种通过离子识别具有高选择性和渗透性人工钠通道的共价有机框架膜”（A covalent organic framework membrane with highly selective and permeable artificial sodium channels via ion recognition）。该研究由我校与多所国际顶尖科研机构深度合作完成。

生物钠离子通道以Na⁺对K⁺的高选择性和快速Na⁺传导速率为特征，在几乎所有细胞类型的生物过程中发挥重要作用。这些天然通道通常表现出10–10²的Na⁺/K⁺选择性和超快的钠离子传输速率，用于维持稳态平衡和传递神经信号。近年来，因其在水处理等领域的应用潜力，开发人工生物通道的研究备受关注。尽管已设计多种人工离子通道/膜以模拟生物通道的选择性传输特性，但分离单价阳离子混合物仍面临巨大挑战。近年来，研究者尝试通过将冠醚引入软脂质、石墨烯和MOF等材料中设计人工钠通道。然而，MOF材料的三维框架常导致离子扩散受限，且其结构稳定性较差。相比之下，二维共价有机框架（COF）因其局部直线型一维通道而展现出优异的离子传输性能，已被广泛应用于离子分离等领域。但COF孔径较大（1-5 nm），在单价离子分离中的选择性有限，目前相关研究的结果仍不理想，亟需进一步探索新型功能化策略以提升其离子分离性能。

图为冠醚修饰的COF复合膜用于离子分离示意图。

为构建具有特定识别位点的复合膜结构，研究人员采用原位界面聚合得到致密的COF膜（DHTA-Hz），并通过纳米限域以及主客体作用结合的方式将具有促进Na⁺传输的冠醚复合到一维通道中。该方法有助于特定阳离子的选择性传输，实现高效且精确的特异性钠离子分离。通过浓度梯度和电场驱动的离子选择性传输实验，可实现超高的钠离子选择性（Na⁺/K⁺=58.31）和9.33 mmolm⁻²h⁻¹的渗透速率。相应的密度泛函理论（DFT）计算和分子动力学（MD）模拟揭示了其选择性离子传输机制：首先，一维COF孔道结构促进了离子传输，显著提升了离子渗透性；其次，引入冠醚分子后的COF孔道构建促进了单价离子分离；最后，冠醚分子的选择性识别能力赋予COF膜特异性识别功能，使其能够实现特定离子的识别与分离。

图为采用限域效应及主客体作用构建复合COF膜的结构示意图。

通过在双通道阳极氧化铝（AAO）支持体上进行单体的原位生长，随后进行冠醚的后修饰，形成DHTA-Hz-15C5膜。采用2,4-二羟基苯-1,3,5-三甲醛（DHTA）和水合肼（Hz）分别在有机相和水相中进行聚合反应，形成DHTA-Hz膜。接着引入15-冠-5醚（15C5），其较小尺寸（6 Å）与一维纳米通道（8.4Å）相结合，确保稳定结合且不改变表面特性。这种复合型结构保留了COF一维通道快速传输的优势，离子特异性识别的分子引入也可实现目标离子的选择性分离。研究为开发高效单离子传输的COF材料提供了新思路，并推动冠醚在纳米受限环境中离子选择性的应用。

我校环境学院和长江流域多介质污染协同控制湖北省重点实验室作为论文第一单位，联合比利时鲁汶大学、美国耶鲁大学、莱斯大学等世界一流研究机构开展了卓有成效的跨国合作。环境学院2023级博士生王晶为论文第一作者，我校环境学院袁书珊教授、杨家宽教授，美国莱斯大学Menachem Elimelech院士共同担任通讯作者。团队成员还包括比利时鲁汶大学靳鹏瑞研究员等国际知名学者。

本项工作依托我校环境学院杨家宽教授团队。团队长期研究资源循环、污染控制与低碳评价等，依托长江流域多介质污染协同控制湖北省重点实验室、固废处理处置与资源化湖北省工程实验室、煤燃烧国家重点实验室等，在国家重点研发计划项目课题、国家自然科学基金重点项目和面上项目等的支持下，近年来先后在NatureGeoscience、Nature Cities和Nature Communications等发表了多篇高水平论文。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-025-62329-1