《Nature Communications》：Engineering biomimetic chloride channels in ultramicroporous hydrogen-bonded organic framework membranes for high-salinity wastewater valorization
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为解决合成膜难以仿生生物离子通道高效选择性这一挑战，研究人员成功构建了一种超微孔氢键有机框架（HOF）膜，其结构模拟了天然CLC氯离子过滤器。该膜通过通道尺寸适应性与氢键供体的“低粘度”补偿相互作用，实现了对Cl?/SO42?超过400的极高选择性，同时Cl?渗透率是商业Neosepta?ACS膜的两倍。在用于高盐废水（High-salinity wastewater）资源化的电渗析（ED）过程中，该膜获得了99.62 wt%的更高NaCl产品纯度，且能耗降低28.7%，为先进阴离子筛分膜树立了新标杆。
在自然界中，生物体内的离子通道展现出了令人惊叹的高效率和精准的选择性，它们就像高度智能的门卫，只允许特定的离子通过。其中，负责转运氯离子（Cl?）的CLC通道家族尤为典型。科学家们一直梦想着在实验室里制造出能够模仿这种精妙结构的合成膜，为水处理、能源转换等领域带来革命。然而，这条路充满荆棘。人工合成的膜材料往往难以兼顾高通量和高选择性，尤其是在处理含有多种离子的复杂溶液（如工业高盐废水）时，如何让Cl?快速通过，同时高效阻挡像硫酸根（SO42?）这样更大的离子，是一个巨大的挑战。现有的商业膜，如Neosepta?ACS膜，其性能已接近瓶颈，亟需突破性的设计理念。
为了回答“如何像大自然一样高效地分离离子”这一核心问题，一组研究人员将目光投向了氢键有机框架（Hydrogen-bonded organic framework， HOF）材料。他们受CLC氯离子过滤器结构的启发，成功设计并制备了一种具有超微孔道的HOF膜。这项重要的研究成果发表在了国际知名期刊《Nature Communications》上。
研究人员主要运用了以下关键技术方法：仿生通道的结构设计与构建，通过精确调控HOF的孔径与化学环境来模拟生物过滤器；膜制备与性能表征技术，评估其离子渗透率与选择性；以及电渗析（ED）集成与性能测试，在实际高盐废水（来自模拟或特定工业来源，文档未详述具体样本队列来源）资源化场景中验证膜的效能与能耗。
研究结果
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膜的结构仿生设计与表征
研究人员通过精确的分子设计与自组装，构建了孔径与Cl?水合尺寸相匹配的超微孔HOF通道。通道内壁引入了特定的氢键供体基团，这些基团能够与通过的阴离子形成瞬态、弱的作用力。研究通过一系列表征证实，该结构成功模拟了天然CLC通道中关键的尺寸筛选与相互作用位点特征。
- 2.
卓越的氯离子/硫酸根选择性
性能测试表明，该仿生HOF膜实现了前所未有的Cl?/SO42?选择性，超过了400。这一数值比现有的先进膜材料高出数十倍。其机理在于，通道的尺寸首先对较大的SO42?离子构成了空间位阻。更重要的是，通道内的氢键供体能够为较小的Cl?离子提供“低粘度”的补偿性相互作用，部分抵消了Cl?进入狭窄通道时需要付出的脱水能（Dehydration energy）代价。而对于SO42?，其脱水能更高且难以获得有效补偿，因此被高效阻挡。
- 3.
高渗透率与电渗析应用验证
该膜不仅选择性极高，其Cl?渗透率也达到了商业Neosepta?ACS膜的两倍，打破了选择性-渗透率之间的传统权衡（Trade-off）。在实际的电渗析（ED）处理高盐废水的实验中，使用该膜的体系生产出的NaCl产品纯度高达99.62 wt%，远高于使用商业膜对照组的72.86 wt%。同时，整个过程能耗降低了28.7%，显著提升了高盐废水资源化过程的经济性和可持续性。
研究结论与讨论部分强调，这项工作不仅仅是开发了一种高性能膜，更重要的是确立了一种可推广的仿生设计原则。它首次成功将生物阴离子通道的核心物理化学原理——即结合尺寸筛选与精巧的相互作用补偿以降低目标离子的传输能垒——应用于合成多孔膜材料的设计中。这种“结构仿生”加“功能仿生”的策略，为实现近乎理想的离子筛分性能提供了全新路径。该研究为解决高盐废水资源化、稀缺离子分离、能源高效转换等重大需求提供了颠覆性的材料平台，其设计理念有望扩展至一系列需要高选择性和高导电性的膜系统，推动相关领域的技术进步。
