近日，先进环境装备与污染防治技术全国重点实验室在仿生离子通道KcsA构筑方面取得新进展，相关研究以“Biomimetic KcsA channels enabled by 1D MOF-in-2D COF”为题，发表于Nature Communications。
兼具高渗透性和高选择性的仿生膜（能够特异性感知并识别离子物种）与生物离子通道具有相似的离子筛分行为，在精准离子筛分、盐湖提钾钠镁、高价值离子回收提取领域潜力巨大。然而，单价阳离子（如 K⁺/Na⁺）的尺寸处于亚纳米级，且其尺寸差异仅为埃米级别，这对开发离子精准筛分的选择性膜提出了极为严苛的要求。基于KcsA通道的非均相异质结构特征，以及-COOH基团通常表现出较低K⁺亲和性的特性，团队提出一维MOF（富含-COOH基团）限域生长于二维COF孔道的策略，该设计旨在构建异质离子传输通道，增强K⁺/Na⁺分离性能：既缩小原始COF膜的孔径，又减弱K⁺与通道壁的相互作用，促进K⁺快速输运。具体而言，通过互锁及原位锚定生长策略，原始COF膜依次捕获MOF配体与金属离子，形成1D MOF-in-2D COF异质结构复合膜。得益于COF结构中的-NH-基团与MOF结构中的Cu位点之间的配位作用，COF与MOF可实现分子水平的互联杂化。这种1D MOF-in-2D COF异质通道可实现K⁺的快速扩散，从而达到优异的离子筛分性能：K⁺/Na⁺选择性接近100，K⁺/Mg²⁺选择性超过1000。这项膜设计理念为开发离子选择性仿生膜、实现超高分离性能开辟了可行路径。
图 1D MOF-in-2D COF异质结构
该工作得到了国家自然科学基金等项目的支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-63265-w
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