2026年4月16日，中科院青岛生物能源与过程研究所李朝旭、高军团队在《Nature Nanotechnology》发表重磅研究，受生物钙离子通道启发提出“吸附-膜分离一体化”策略，打破传统分离“吸附越强、传质越慢”的百年悖论，实现高选择性、高通量、低环境负担三重突破。
困在死循环里的关键金属提取难题
双碳背景下，清洁能源产业对铀、铜等关键重金属需求激增，但传统提取技术始终存在高污染、低效率问题。
溶剂萃取法耗量大、污染重；吸附法虽无有机溶剂，但需强酸再生、传质慢；膜分离法虽具绿色潜力，却因“吸附越强、传质越慢”的死循环，无法兼顾选择性与通量。
从生物钙通道里找到破局答案
针对“吸附越强，传质越慢”的悖论，研究团队从生物电压门控钙离子通道（CaV）中获得灵感——其对钙离子吸附力强，却能在高浓度钠离子背景中精准、高速传输钙离子，打破了人工材料的困境。
生物钙通道的核心机制：一是异常摩尔分数效应（AMFE），目标离子占据单离子宽度通道后排斥竞争离子，实现高选择性；二是单列离子快速集体输运，离子间静电排斥降低迁移能垒，提升传输速度。
据此，团队提出假说：在人工膜中构建单离子尺寸一维通道，并修饰高亲和功能基团，即可复刻该机制，同时激活AMFE效应与快速输运。
从假说验证到实验落地，复刻生物通道的神奇
为验证假说，团队选用共价有机框架材料（COF）作为实验平台，其有序一维孔道、可调尺寸及优良稳定性，为仿生膜构建提供了理想基础。
1. 精准构建仿生功能膜
研究人员先合成氰基功能化COF前驱体，经原位偕胺肟化反应，转化为对铀酰离子高亲和的偕胺肟功能化COF纳米片（厚度约2纳米，宽度100-200纳米）。
随后借助真空过滤装置，将纳米片组装成自支撑分离膜，并通过系列仪器表征确认结构：用高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）观察纳米片晶格堆叠；用高分辨透射电子显微镜（HRTEM）验证膜的结晶性；用扫描电子显微镜（SEM）观测膜表面平整度（厚度可调控至800纳米以下）；结合小角X射线散射仪（SAXS）、比表面积及孔径分析仪（氮气吸附等温线测试）和分子截留法，确认膜通道尺寸约1.4纳米，完美实现生物钙通道的尺寸限域效果。
图片来源：Nature Nanotechnology 论文原图
2. 验证分离机制，测试核心性能
膜构建完成后，团队将其安装在H型电解池中，开展离子传输测试，验证AMFE效应的复刻效果。
为精准分析离子在膜内的分布变化，研究人员借助系列高精度仪器：用飞行时间二次离子质谱仪（TOF-SIMS）追踪离子在膜内的深度及三维分布，清晰观察到竞争离子被目标离子排斥的过程；实验结束后，通过X射线光电子能谱仪（XPS）和电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）分析膜的元素组成，确认仅目标铀离子留存，完美验证AMFE效应。
实验证实假说成立：近海海水中，该仿生膜对铀/钒选择性达734，通量达87.6 mg g⁻¹ day⁻¹，均较传统材料提升一个数量级以上，且无需化学再生、无有机溶剂消耗，环境负担极低。
图片来源：Nature Nanotechnology 论文原图
3. 通用型技术，覆盖全品类关键金属
该技术并非仅适用于铀提取，研究团队发现，通过更换膜通道内壁的功能基团，即可将其拓展至多种关键金属分离：羧基功能化通道可精准分离稀土金属（如从混合液、尾矿浸出液中筛出钪）；偕胺肟基团可在强酸条件下分离铜，适配湿法炼铜场景；联吡啶功能化通道则能实现贵金属金的高效回收。
这一通用平台型技术，可覆盖绝大多数关键重金属的绿色分离提取，为湿法冶金领域带来变革新可能。
图片来源：Nature Nanotechnology 论文原图
这项研究不仅打破了关键金属分离领域的百年悖论，更开创了一种全新的绿色湿法冶金范式，未来有望彻底改变传统提取技术高污染、低效率的现状，为我国构建自主可控的关键矿产供应链提供了全新的技术支撑。
如果您在开展膜材料、离子分离、重金属提取相关的科研工作，需要用到扫描电镜、透射电镜、XPS、ICP-MS 等相关的表征与测试技术，钧研实验室可以为您提供专业的测试技术支持，助力您的科研工作顺利推进！
