在自然界中，生物离子通道能够精准筛分离子，激发了研究人员构筑仿生离子筛分材料的灵感。这些材料不仅可以有效分离一种阳离子跟其他阳离子，也能够将一种阴离子跟其他阴离子分开，广泛应用于化工和环境领域，比如锂提取、水处理等。用于分离阳离子的材料一般传输阴离子慢，而用于分离阴离子的材料则传输阳离子慢——也就是说，这些材料往往会同时把阴离子跟阳离子分开。由于阴阳离子带相反的电荷，导致在分离过程中往往难以实现阴阳离子的协同传输，进而造成分离材料两侧电荷不平衡，抑制离子传输效率。

青岛能源所仿生能源界面技术中心高军研究员与青岛大学随欣教授、刘学丽副教授带领的研究团队长期从事仿生离子筛分材料研究。他们发现，一种名为阳离子-氯化物协同转运蛋白（CCCs）的生物离子传输蛋白质，能够分离碱金属阳离子与其他阳离子，也可以分离氯离子与阴离子，并同时保持同等速率传输，从而保持电荷平衡。基于这一发现，近期，研究团队联合开发了一种带季胺基团的多孔有机框架薄膜，具有与生物类似的离子传输特性。该薄膜结构无序，孔径非常小，可以通过尺寸排阻效应筛分出小尺寸的碱金属离子和氯离子，同时排阻其他阴阳离子通过。值得注意的是，这种薄膜亲水性强，而且电性很弱，无明显电荷选择性，能够以相同速率传输碱金属离子和氯离子。

图1 仿生CCCs的构建

图2 阳离子间选择性

图3 阴离子间选择性

在镁锂分离实验中，该薄膜展现出优异的通量与选择性，可以有效抑制电荷不平衡问题。此外，由于该类膜传输碱金属离子和氯离子的速率接近，研究团队创新性地通过在溶液中加入大量廉价氯离子，以加速高价值碱金属离子（如锂）的传输，进一步提升了提锂性能。

图4 阳离子-阴离子共转运提升锂镁筛分性能

该研究成果以“Artificial Cation-Chloride Co-transporters for Chloride-Facilitated Lithium/Magnesium Separation”为题发表于Angewandte Chemie International Edition。文章第一作者为青岛能源所2021级联合培养硕士侯玉双。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、自主部署强基计划等项目的支持。（文/图 高军、侯玉双）

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202504259

Yushuang Hou, Chenguang Zhu, Haozhe Sun, Yongye Zhao, Shangfa Pan, Shuhui Ma, Qianqian Fu, Xin Sui*, Xueli Liu*, Lei Jiang & Jun Gao*, Artificial Cation-Chloride Co-transporters for Chloride-Facilitated Lithium/Magnesium Separation. Angew. Chem. Int. Ed. 2025.