具有穿透亚纳米通道的混合基质膜：多功能的纳流平台可实现选择性离子电导

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

生物体中细胞膜上的众多离子通道可以选择性地调控离子进出细胞，该过程在自然界的生命体对复杂生命活动进行智能操控的过程中发挥着重要作用。受具有贯穿生物离子通道的细胞膜特殊结构和功能启发，构筑仿生细胞膜结构的人工纳流平台，实现兼具高选择性、高通量的离子传输功能具有重要的应用前景，同时也面临着巨大挑战。

图1. 具有穿透型亚纳米通道MMMs的制备示意图

近期，武汉理工大学张鹏超研究员和北京师范大学蒋亚楠副教授合作，开发了具有穿透亚纳米通道的混合基质膜（MMMs），实现了高通量选择性金属离子传导（图1）。与硬的玻璃基底制备的传统MMMs相比，穿透型MMMs是在软的可形变的PDMS基底的辅助下，利用溶液刮涂技术制备得到（PW@PI MMMs），其中普鲁士白（PW）微米颗粒穿透于致密的聚酰亚胺（PI）基体中形成亚纳米通道，为一价金属离子的选择性传导提供了快速通道（图2）。

图2. 两种MMMs的形貌表征

进一步对两种MMMs的离子传输性能进行了表征和分析，发现穿透型MMMs具有较高的一/二价金属离子选择性和渗透性。其中K⁺/Mg²⁺的离子选择性达到14.0，K⁺离子的电导达到9.8 μS，优于先前报道的离子筛分膜（图3）。本工作开发的软基底辅助的刮涂技术具有优异的普适性，可以实现包括MOF、分子筛在内的多种多孔微米颗粒基的混合基质膜的大面积制备，为开发高效离子/分子分离膜提供新的解决方案。

图3. 穿透型MMMs提高了金属离子筛分性能

相关论文发表于Angew. Chem. Int. Ed.，该工作的第一作者是武汉理工大学硕士研究生李晨，武汉理工大学张鹏超研究员和北京师范大学蒋亚楠教授为论文共同通讯作者，武汉理工大学为第一完成单位。

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Mixed Matrix Membrane with Penetrating Subnanochannels: A Versatile Nanofluidic Platform for Selective Metal Ion Conduction

Chen Li, Yanan Jiang, Zihan Wu, Youcai Zhang, Cheng Huang, Sha Cheng, Ya You, Pengchao Zhang, Wen Chen, Lanqun Mao, and Lei Jiang

Angew. Chem. Int. Ed., 2022, DOI: 10.1002/anie.202215906

张鹏超研究员简介

张鹏超，武汉理工大学材料科学与工程学院研究员，博士生导师，国家高层次人才（青年项目）、湖北省高层次人才（青年项目）、武汉英才。2010年于武汉理工大学材料科学与工程专业获得学士学位。2016年于中国科学院化学研究所获得博士学位，师从江雷院士和王树涛研究员。随后在美国康奈尔大学医学院附属休斯顿卫理公会研究所从事博士后研究。2020年9月起就职于武汉理工大学材料科学与工程学院，成立“滴液成膜”课题组，主要从事基于仿生液滴超铺展的高性能聚合物膜制备新技术及其应用研究。至今已在Nature（共同一作1篇）、Adv. Mater.（第一作者4篇）、Angew. Chem. Int. Ed. （第一作者2篇，通讯作者1篇）国际高水平学术期刊上发表研究论文50余篇。获2020中国新锐科技人物突出成就奖、中国科学院院长优秀奖等荣誉和奖励。任Interdisciplinary Materials学术编辑、Exploration青年编委，Polymers编辑委员会成员和客座编辑、Frontiers in Bioengineering and Biotechnology客座编辑。课题组拥有多学科高度交叉的研究背景，研究课题涉及仿生界面化学、液滴可控铺展、高效离子分离与传输、柔性能量存储与转换材料与器件、微流控技术等前沿科技领域，常年招收博士后、博士研究生、硕士研究生以及导师制本科生，欢迎具有不同学科背景的有志之士加入。

蒋亚楠副教授简介

蒋亚楠，2010年本科毕业于武汉理工大学材料科学与工程学院。2015年获得北京航空航天大学博士学位，师从江雷院士。随后加入到中国科学院化学研究所活体分析化学院重点实验室工作，课题组长为毛兰群研究员。2020年入选中科院青促会会员。2022年3月起在北京师范大学化学学院工作，主要围绕人工合成的纳流体系，开展基于纳米限域通道的电分析化学研究及单细胞/活体检测分析和调控。目前，已在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Anal. Chem. 等国际知名期刊上发表SCI论文30余篇，申请专利6项，承担国家自然科学基金及北京市基金等多项课题。

科研思路分析

Q：这项研究的创新点是如何构思的？

A：围绕海水淡化、盐湖资源利用的国家重大需求，我们致力于开发新型高性能金属离子分离膜技术以期实现高渗透性、高选择性的离子传导。然而，现有的基于二维纳米材料组装的薄膜和基于金属有机框架材料的单个纳米孔膜虽然可以实现高选择性一价离子传导，但是其离子通量仍然较低。因此，开发兼具高通量和高选择性的高性能膜材料仍是该领域的重大挑战之一。受细胞膜上贯穿其中的生物离子通道的启发，我们发展了一种软基底辅助的刮涂制膜新技术，制备了具有穿透型亚纳米通道的混合基质膜（MMMs），实现了金属离子的选择性电导。基于此，我们认为通过进一步优化有望实现一价/二价金属离子高通量、高选择性分离，所以才有了上述研究。

Q：研究过程中遇到的最大挑战？

A：本项研究中最大的挑战是如何实现多孔普鲁士白多孔材料贯穿于膜的上下表面形成连续的亚纳米通道，并具有高选择性、高通量的离子传输功能。在这个过程中，我们团队在“滴液成膜”—基于液滴超铺展的柔性聚合物薄膜制备新技术研究方面的经验积累起了至关重要的作用，而蒋亚楠副教授在离子筛分相关领域研究颇深，通过我们两团队的薄膜调控和离子筛分测试经验相结合，将研究推动到了更高的层次。

Q：该研究成果有哪些应用前景？

A：我们开发的膜制备技术具有很好的普适性，原则上任何具有纳米/亚纳米通道的微米颗粒均可用于开发穿透型MMMs并可实现其大面积制备，实现高选择性、高通量的离子传输。这种混合基质膜可以为盐湖提锂、海水淡化、生物传感、污水处理等众多国家战略新兴领域的应用需求提供新的解决方案。