納米結(jié)構(gòu)材料和納米制備技術(shù)的興起促進(jìn)了具有高效、精密的離子選擇性傳輸?shù)姆律{米通道膜的快速發(fā)展。這些材料與技術(shù)實(shí)現(xiàn)納米限域環(huán)境下的埃米級(jí)離子通道的構(gòu)筑，在尺寸上實(shí)現(xiàn)離子的初步分離。通過引入相應(yīng)的基團(tuán)，通道表面實(shí)現(xiàn)功能化，利用離子與功能基團(tuán)作用力的差異，實(shí)現(xiàn)離子的進(jìn)一步篩分。由于鋰、鈉、鉀等離子具有相同的價(jià)態(tài)以及相似的離子半徑，有效的單價(jià)離子篩分目前仍是挑戰(zhàn)。  

　　近日，中國科學(xué)院理化所研究員聞利平與吉林大學(xué)化學(xué)院教授賁騰（現(xiàn)為浙江師范大學(xué)教授），在Nature Communications（DOI：10.1038/s41467-022-29382-6）上發(fā)表研究性論文。該研究受生物KcsA通道的啟發(fā)，將一種螺旋多孔有機(jī)鹽分子籠（CPOS）原位生長在錐形納米孔中，實(shí)現(xiàn)鉀離子的快速選擇性傳輸以及單價(jià)離子的篩分作用。在亞納米尺度上，錐形結(jié)構(gòu)的雙螺旋通道表現(xiàn)出典型的離子整流行為，鉀離子的傳輸速度達(dá)94.4 mmol m^-2 h^-1，其中，K⁺/Li⁺和K⁺/Na⁺的選擇性比分別為363和31。實(shí)驗(yàn)和模擬表明，這種選擇性傳輸或是陽離子-π和靜電相互作用的協(xié)同效應(yīng)使Li⁺和Na⁺的傳輸能壘更高所致。該研究為設(shè)計(jì)與制備具有高性能K⁺離子篩分的仿生器件提供了有效方法。  

　　生物鉀離子通道依賴于非對(duì)稱的離子通道以及在亞納米限于空間表面基團(tuán)對(duì)鉀離子的高度選擇性傳輸。構(gòu)建具有類似KcsA的仿生離子通道有望實(shí)現(xiàn)K⁺離子的高效分離。研究利用徑跡蝕刻后的聚酰亞胺膜制備出錐形的納米通道，運(yùn)用原位合成策略，將CPOS材料組裝到上述單錐納米通道中，從而獲得仿生鉀離子通道膜材料。 

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，仿生離子通道可以實(shí)現(xiàn)鉀離子的快速傳輸，其中K⁺/Li⁺的選擇性達(dá)363，并具有優(yōu)異的循環(huán)性能。與其他文獻(xiàn)報(bào)道的數(shù)值相比，其分離性能達(dá)到先進(jìn)水平。 

　　這種鉀離子通道有望在水處理、能量轉(zhuǎn)換以及離子電池等方面得到進(jìn)一步應(yīng)用。中國科學(xué)院大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院、浙江師范大學(xué)科研人員參與研究。 

圖1.a、生物離子通道及CPOS材料的孔結(jié)構(gòu)，b、仿生離子通道的構(gòu)筑 

圖2.仿生鉀離子通道的離子選擇性測(cè)試