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，模仿这一过程构建离子传导纳流体材料，以收集获取海水和河水混合时释放的渗透能。在以往的渗透能发电研究中，为了展示发电性能，通常使用0.5 M和0.01 M NaCl溶液来模拟海水和河水，仅模拟了生物离子通道的电荷选择性，未考虑天然水的复杂离子组成，从而忽略了阳离子间选择，其实河水中主要的阳离子是Ca²⁺而非Na⁺。

近日，高军研究员带领的研究团队利用ZIF -65构建人工钠离子通道，将渗透功率密度提高一个数量级以上，展示了开发高性能渗透能转化的新途径。研究人员构建了一种传导Na⁺但排斥Ca²⁺的材料，通过这种高Na⁺浓度梯度来提高渗透功率密度。结合生物钠离子通道的研究，配体的官能团和电荷、电荷供给能力以及通道孔径大小这几个因素决定了Na⁺的选择性。在这项工作中，研究团队发现ZIF -65晶体具备Na⁺选择性的所有要素，因此能够很容易构建可以运输Na⁺但几乎完全排斥Ca²⁺的人工钠离子通道。ZIF -65晶体中的中性-NO₂基团作为配体促进Na⁺的转运。此外，孔径大小与生物钠通道的选择性过滤器相当，允许部分水合Na⁺离子的运输。然而，对于Ca²⁺来说，由于中性的连接基团、狭窄的孔径大小和部分水合作用，阻止其运输的脱水能垒达1.98 eV，这与打破共价键所需的能量相当。结果，Ca²⁺运输几乎被完全阻断。

图1. 人工钠离子通道构筑及Na⁺、Ca²⁺选择性。

当使用含Ca²⁺的水代替含Na⁺的水模拟河水时，人工钠通道产生的开路电压可提高~6倍，功率密度可提高~37倍。因此高Na⁺/Ca²⁺选择性是提高含Ca²⁺淡水和海水混合渗透能收集的关键。这项研究为开发高性能渗透发生器开辟了新的途径。（文/图 李琪 高军）

图2. 人工钠离子通道产生的提升的渗透功率密度。

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

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.