告别高污染，膜分离术绿色提矿

近日，中国科学院青岛生物能源与过程研究所研究员高军团队，联合江汉大学教授李朝旭团队、中国科学院理化技术研究所研究员江雷等，成功开发出一种受生物钙离子通道启发的普适性关键金属离子膜分离方法，可高效、绿色、选择性地提取铀、铜、金等多种对新能源至关重要的关键金属资源，有望解决传统关键金属资源提取技术高污染、低效率、高能耗的长期难题。相关成果发表在《自然-纳米技术》。

随着“双碳”目标加速推进，风能、光伏、电动汽车、核能等清洁能源技术迅猛发展，对特定关键金属元素的需求呈现指数级增长，部分关键金属元素对外依存度高，甚至面临严重短缺风险。

关键金属资源的提取主要依赖溶剂萃取法，该方法不仅成本高昂，更带来严重环境负担。近年来，无有机溶剂的吸附法备受关注，但吸附材料存在根本性瓶颈。相比之下，膜分离法被认为是绿色高效的分离技术。

研究团队发现，生物体内的钙离子通道具有“吸附越强、传输越快”的反常输运性能，它们对钙离子的吸附能力远强于钠离子，但是能从浓度高出数千倍的钠离子背景中精准识别并高速传输钙离子。

这一特性源于两大机制：一是异常摩尔分数效应，少量高亲和力离子占据宽度仅单离子尺寸通道后，可排斥其他离子，实现超高选择性；二是离子单线状排列诱导的快速集体输运，离子在窄通道内呈线状排布，静电排斥降低迁移能垒，显著提升传输速率。

据此，团队提出假说：在人工膜内构建宽度与单离子尺寸相当的一维通道，并于内壁修饰对目标金属离子高亲和的功能基团，有望同时激发异常摩尔分数效应与快速集体输运，实现宏观尺度下类似生物通道的高效分离性能。

团队研究人员选取了一种直径略大于单个离子的共价有机框架材料膜，并在其孔壁上引入大量偕胺肟基团——该基团已被证实对铀酰离子具有极强亲和力。

实验结果表明，在真实海水中，该膜对钒的选择性高达734，比现有最佳吸附材料提升一个数量级以上；在真实海水测试中，即使面对高浓度竞争离子，膜仍能稳定富集铀，且无需化学再生。在仅施加0.2伏特低电压驱动下，铀的提取通量达到87.6毫克每克每天，铀分离速率高于吸附材料一个数量级以上。

这种仿生分离机制具有普适性。通过更换特异性吸附基团，可拓展至铜以及贵金属等多种关键金属离子的分离回收。这种分离机制也适用于各种膜分离方法，包括扩散渗析，电渗析以及压滤。