国科大团队提出水合层介导离子“近无摩擦”筛分新策略，登Nature Nanotechnology

中国科学院大学（国科大）纳米科学与工程学院（纳米学院）杨金雷副教授（第一作者）与合作者中国科学院国家纳米科学中心唐智勇研究员、李连山研究员团队，在学术期刊 Nature Nanotechnology 上发表了题为“Hydration layer mediates near-frictionless sieving of monovalent ions”的研究论文。该工作通过构建动态埃级“水孔”，利用溶剂分子介导的短程相互作用，成功实现对一价阳离子的高选择性与高通量分离，为突破传统纳孔膜长期存在的“渗透性—选择性”权衡难题提供了全新范式。

离子分离膜在盐湖提锂、水处理和资源回收中扮演关键角色，但传统基于尺寸排阻、静电排斥或依赖离子“脱水能”的策略，往往为追求高选择性而牺牲渗透通量，或在复杂高盐环境下失效。研究团队指出，在现实的溶液环境中离子表面并非裸露，而是被一层水分子紧紧包裹——即水合层，而这一水合层引发的短程相互作用长期以来在膜分离科学中被忽略。

在这项工作中，杨金雷和团队在单层共价有机框架（COF）膜的孔边缘巧妙锚定水合离子，构筑出有效尺寸约为 0.8 纳米的动态“水孔”。离子能否穿过水孔，完全取决于其水合层的“柔性”：

• 钾离子（K+）：水合层较柔韧，靠近孔道时会与其他水合层发生“融合”，产生强烈相互吸引力，获得近乎“无摩擦”的超快传输；
• 锂离子（Li+）：水合层刚性，在受限空间内发生水合层“挤压”，产生强烈排斥力，被有效阻滞在孔外。

实验数据显示，K+ 的传输活化能仅为 5.5 kcal/mol，已接近其在水溶液中的本征扩散活化能。在浓度梯度驱动下，该膜展现出 K+/Li+ 选择性高达 148、K+ 渗透率突破 2×10⁴ mol·m⁻²·h⁻¹ 的分离性能，比国际现有最先进的分离膜高出整整三个数量级。

“这项研究中最令我感到兴奋的，是我们打破了‘同种电荷离子必然相斥’的传统物理认知。”杨金雷表示。在水分子尺度的亚纳米限域下，通过巧妙调控水合层的柔韧性，竟然能主动引导离子之间产生吸引或维持排斥，这种基于微观水合层结构的调控策略，为应对更具挑战性的纳孔膜分离难题提供了崭新设计思路。

研究团队认为，该技术未来有望在从高盐卤水中精准提取锂离子、稀土元素的高效分离，以及复杂工业高盐废水处理等物化性质极度接近的物种分离场景中发挥重要作用，为工业废水深度处理与资源回收提供新的膜材料路径。