仿生提鋰進展：利用埃級尺寸冠醚柱撐通道實現高選擇性的鋰傳輸

近日，中科院青島生物能源與過程研究所高軍與青島大學劉學麗，溫州大學劉楠楠研究團隊合作在海水提鋰領域取得進展，構筑了埃級尺寸的冠醚柱撐通道實現高選擇性鋰離子傳輸，研究成果發表在《德國應用化學》（Angew. Chem. Int. Ed.）上。

生物離子通道可以將目標離子與競爭離子高選擇性分離，它們的分離性能仍是人工材料無法企及的。然而，我們可以從中獲得啟示用于提升人工材料的性能，并應用于能源和環境領域。例如，隨著電動汽車產業的快速發展，鋰的需求急劇增加，鹽湖提鋰、海水提鋰受到越來越多的關注。從鹽湖或海水中提鋰的材料必須具有極高的Li⁺/Mg²⁺或Li⁺/Na⁺選擇性，而這正是當前分離材料領域的重大挑戰。

團隊注意到，生物離子通道實現高選擇性分離的機制是多維度的。這些通道具有埃級尺寸，可以適配目標離子并排斥較大的離子；另外，通道表面具有豐富的基團與目標離子發生特異性識別；其次，通道表面的基團可以強烈吸引并富集目標離子，這種富集作用可以顯著增強目標離子電導。利用以上機制的協同效應，生物離子通道可以在排斥競爭離子的同時增強目標離子傳輸，從而顯著放大選擇性。

受生物啟發，團隊構筑了埃級尺寸的冠醚柱撐通道，即1-氮雜-15-冠-5插層的堿式硝酸鋅（A15C5-pillared ZHN），將以上效應集成到材料中，實現了高選擇性鋰離子傳輸。其中，通道的埃級尺寸可以排斥雙價離子，而冠醚對堿金屬離子有特異性識別功能，可以促進鋰的傳輸，阻礙鈉的傳輸，另外，所構筑的通道與鋰離子相互作用強，可以高效富集鋰離子，最高可將鋰離子電導提升多個數量級。

為了評估材料提鋰的潛力，團隊制備了含不同濃度LiCl (25 μM至0.5 M)和固定濃度NaCl（0.5 M）的二元離子混合物，將提鋰裝置置于離子混合物和超純水之間，使離子沿濃度梯度擴散(圖2F)。在鋰離子濃度與海水中相近（25 μM）時，材料可以放大鋰離子電導，有效Li⁺/Na⁺選擇性高達1422。這些結果表明離子富集對提高Li⁺選擇性的重要性。

圖1：生物離子通道的選擇性過濾器及仿生冠醚柱撐通道的構筑。

圖2：通道對Li⁺的富集作用及其在從濃Na⁺中篩除稀Li⁺中的應用。

文章的第一作者是中科院青島生物能源與過程研究所科研助理葉婷艷（現上海交通大學在讀博士生），中科院青島生物能源與過程研究所博士后高宏飛和中科院青島生物能源與過程研究所聯培博士生李琪。

該研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中科院青能所/山能院/青島新能源省實驗室強基計劃等項目的資助。

文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202316161