在自然界中，离子通过离子通道沿浓度梯度向下扩散可用于微调膜电位，这是生物电信号、神经信号产生和传输的核心过程，有时也用于发电。例如，电鳗可利用 Na + 或 K + 离子浓度梯度产生高达 600 V 的电压，可以模仿这一过程，构建离子传导纳流体材料，以获取海水和河水混合时释放的渗透能。生物离子通道具有电荷选择性和阳离子间选择性。然而，在以往的渗透能转化研究中，通常使用NaCl溶液来模拟河水，而忽略了河水中主要的阳离子通常是Ca 2+ 的事实。

近日，中国科学院青岛生物能源与过程研究所的高军研究员团队利用ZIF-65构建人工钠离子通道，实验和理论计算表明ZIF-65人工钠离子通道只传导钠离子而排斥钙离子， ZIF-65的中性-NO2基团作为配体促进Na+的转运。通过只传导Na +但排斥Ca 2+的方式，得到了高Na +浓度梯度从而提高了渗透功率密度。进一步渗透能收集实验结果表明，渗透功率密度提高了一个数量级以上。这项工作展示了开发高性能渗透能转化的新途径，并可能推动基于仿生离子通道的其他应用，如神经形态信息处理。

图 1.人工钠离子通道构筑及Na+、Ca2+选择性

当使用含Ca 2+的水代替一般使用的含Na +的水模拟河水时，人工钠通道产生的功率密度可提高~37倍。因此高Na +/Ca 2+选择性是提高含Ca 2+淡水和海水混合渗透能收集的关键。

高军研究员简介

高军，研究员，博士生导师，界面仿生工程研究组课题组长。2009年获山东大学物理学学士学位；2014年获中科院化学所物理化学博士学位，导师江雷研究员；2014年-2016年在美国西北大学材料科学与工程学院黄嘉兴教授课题组从事博士后研究；2017-2019年在荷兰特文特大学Frieder Mugele教授课题组从事博士后研究；2020年加入中科院青岛能源所。已发表论文 30 余篇，包括 Nat. Commun.，JACS，Angew. Chem.，PNAS，Chem. Soc. Rev.，ACS Nano，Nano energy 等，部分成果被Sciencedaily、Nanowerk、腾讯、新浪等数十家国内外媒体宣传报道。主持国家自然科学基金面上项目，国家重点研发课题，中科院高层次人才计划等。

文章信息：

Qi Li, Ke Zhou, Bin Zhu, Xueli Liu, Junchao Lao, Jun Gao*, Lei Jiang, Artificial sodium channels for enhanced osmotic energy harvesting. J. Am. Chem. Soc. 2023.

原文链接：
https://doi.org/10.1021/jacs.3c08902

来源：高分子科学前沿

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