近日，仿生能源界面技术研究中心与青岛大学刘学丽，温州大学刘楠楠研究团队合作在海水提锂领域取得进展，构筑了埃级尺寸的冠醚柱撑通道实现高选择性锂离子传输，研究成果发表在《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed.）上。

　　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的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。

　　研究团队注意到，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，通道表面丰富的基团与目标离子发生特异性识别，可以强烈吸引并富集目标离子，这种富集作用显著增强了目标离子电导。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，研究团队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，研究团队制备了含不同浓度LiCl (25 M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 M）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

　　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。

　　图2：通道对Li⁺的富集作用及其在从浓Na⁺中筛除稀Li⁺中的应用。

　　文章的第一作者是青岛能源所科研助理叶婷艳（现上海交通大学在读博士生）、博士后高宏飞和联培博士生李琪。

　　该研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院青岛能源所/山能院/青岛新能源省实验室强基计划等项目的资助。（文/图 高军）

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