前言

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，对特定重金属元素的需求呈现指数级增长，部分重金属元素对外依存度高，甚至面临严重短缺风险。在此背景下，能否实现关键金属的高效回收、替代提取与循环利用，直接关系到国家在新能源时代产业竞争力和科技自主权，是提升核心竞争力的关键。

中国科学院青岛生物能源与过程研究所、太阳能光电转化与利用全国重点实验室高军研究员、李朝旭教授联合中国科学院理化技术研究所江雷研究员等人组成科研团队，成功开发出一种受生物钙离子通道启发的普适性重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重金属资源，有望解决传统重金属资源提取技术高污染、低效率、高能耗的长期难题。相关研究成果于4月16日发表在《自然·纳米技术》上。

图1.《自然-纳米技术》发文截图

技术突破

一直以来，关键金属资源的提取主要依赖溶剂萃取法，该方法依赖大量有机溶剂、酸等化学试剂，不仅成本高昂，还会带来环境负担。相比之下，膜分离法无需有机溶剂，可在电场、压力或浓度梯度驱动下实现高效富集，被公认为是最绿色、最高效的分离方法。然而，由于关键金属离子价态高，天然易吸附，在传统认知中，吸附越强则越难脱附、更难以在膜内传输，使得关键金属离子的膜分离极具挑战。

研究团队发现，生物体内钙离子通道能在高浓度钠离子中精准、高速传输钙离子，核心在于“异常摩尔分数效应”和“离子单线状排列诱导的快速集体输运”两大机制。前者让高亲和力离子占据狭窄通道并排斥杂质，后者通过离子间静电排斥降低传输阻力。基于此，团队提出假说：在人工膜中构建单离子尺寸的一维通道，并修饰高亲和力功能基团，可实现高效分离。

图2.受生物通道启发的关键金属离子分离膜构建策略示意图及铀提取性能

为验证假说，研究团队选用共价有机框架材料（COF）作为基础平台，通过在孔壁引入对铀酰离子亲和力极强的偕胺肟基团，成功模拟了生物通道的反常输运特性。实验显示，该膜在真实海水中对钒的选择性达734，较现有最佳吸附材料提升一个数量级，分离速率同样优于吸附材料一个数量级，且无需化学再生，从根本上避免了二次污染。

意义

进一步研究发现，这种仿生分离机制具有普适性。研究人员介绍，通过更换特异性吸附基团，该方法可拓展至铜、金等多种关键金属离子的分离回收。此外，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。

图3.研究团队在讨论技术内容

该项研究有望推动关键金属提取向绿色化、高效化变革，为我国矿产供应链自主可控提供技术支撑。目前，研究团队正在攻克规模化制造仿钙离子通道分离膜难题，以期推动应用。

（来源：科技日报、央视网）