电压门控Zr4-Ti3C2Tx纳米通道膜实现离子与水协同传输调控突破膜分离选择性-渗透性权衡困境

《Nature Communications》：Simultaneous voltage-gated control of ion and water transport in Zr4-Ti3C2Tx nanochannel membranes

本研究针对膜分离技术中长期存在的选择性-渗透性权衡难题，通过构建结构稳定的Zr4-Ti3C2Tx纳米通道膜，开发出电压门控协同调控策略。研究表明：正电压使离子渗透率提升10.18倍，负电压增强水传输并提高脱盐率至98.57%，为能源、资源与环境应用提供新途径。

　　

在生物体内，跨膜蛋白通过精确调控离子和水分子的传输，实现了神经信号传导和ATP合成等关键生命活动。受此启发，科学家们一直致力于开发能够模拟生物离子通道功能的人工纳米通道。然而，传统膜材料在分离过程中普遍面临选择性-渗透性之间的权衡难题——提高离子选择性往往以降低水渗透率为代价，这一瓶颈严重制约了海水淡化、资源回收等技术的发展。

针对这一挑战，西安建筑科技大学王金研究员团队在《Nature Communications》发表最新研究成果，通过设计具有稳定层间距的Zr₄-Ti₃C₂T_x纳米通道膜，实现了电压门控的离子与水协同传输调控。该研究首次报道了在极端受限环境下，外加电压可同时且反向调节离子和水分子的传输行为：正电压促进离子扩散，而负电压在抑制离子传输的同时显著增强水分子渗透。

研究人员采用最小插层剥离法（MILD）制备高导电性Ti₃C₂T_x纳米片，通过锆离子（Zr₄）柱撑构建稳定纳米通道。利用三电极系统精确调控膜表面电位，结合原位表征和理论计算，系统揭示了电压门控传输的分子机制。

Preparation of Zr₄-Ti₃C₂T_xmembrane with stable d-spacing

X射线衍射（XRD）分析表明，Zr₄柱撑使膜层间距稳定在14.1?，在不同盐溶液中波动小于0.1?，显著改善了原始Ti₃C₂T_x膜的溶胀问题。X射线光电子能谱（XPS）证实Zr₄成功插入纳米通道，接触角测试显示膜表面亲水性得到优化。

Voltage-gated control of ion transport in membranes

电化学测试发现，+0.5V电压使Na⁺渗透率提升7.97倍，而-0.5V时降至0.41倍。这种调控效应随离子浓度升高而减弱，Mg²⁺因水合壳层刚性对电压响应较弱。密度泛函理论（DFT）计算表明，负电压增强离子与通道壁的静电作用，使Na⁺更倾向于靠近壁面的L水合状态（占比从77%升至98%），从而增加扩散能垒。

Voltage-gated control of water transport in membranes

令人惊讶的是，水传输表现出与离子相反的电压响应规律。-0.8V电压使水渗透率从0.38提升至0.76 L m^-2h^-1bar^-1。从头算分子动力学（AIMD）模拟揭示，负电压增加水分子与Ti₃C₂T_x表面的氢键数量，促进水分子旋转运动，降低扩散能垒从36 meV至24 meV。

Desalination and Li⁺recovery under voltage-gated control

在正向渗透（FO）脱盐实验中，-1.0V电压使NaCl截留率从72.09%提升至98.57%，水渗透率同步提高至0.76 L m^-2h^-1bar^-1。在锂浓缩应用中，该策略同样实现水渗透率和Li⁺截留率（96.54%）的协同提升，突破了传统膜材料的性能极限。

本研究通过创新性地将电压门控策略应用于二维膜材料，成功解决了膜分离领域的选择性-渗透性权衡难题。Zr₄柱撑不仅赋予纳米通道结构稳定性，更通过电压调控实现了离子/水传输的智能开关功能。理论模拟从分子层面揭示了电压通过改变界面氢键网络和水分子取向来调控传输速率的机制，为设计新一代智能膜材料提供了重要理论基础。该技术在海淡水淡化、盐湖锂资源提取等领域展现出广阔应用前景，标志着人工纳米通道研究向仿生智能调控迈出了关键一步。