金属在现代社会发展中发挥着至关重要的作用，但其矿产储量的有限和对水环境潜在的负面影响已引起人们的广泛关注。从水中高选择性地回收目标金属离子，是缓解金属稀缺和提高水环境质量的有效解决方案之一。然而，金属离子物理化学特性相似，其尺寸差异仅为亚埃级，这使得金属离子的高选择性分离依然面临巨大挑战。目前膜分离技术已经在金属离子选择性分离领域展现出巨大的应用潜力。但是，研制高效分离膜材料并揭示离子运输机制依然是该领域的重要难题。张炜铭教授课题组在前期研究中发现，构建具有类似生物离子通道的纳米-亚纳米分级孔结构（Angew. Chem. Int. Ed., 2022, 61, e202115443.）、亚纳米级尺寸、结合位点和电荷密度（Nat. Comm., 2023, 14, 4907.）的人工离子通道膜可以实现金属离子的高效分离。此外，构建能够响应外部刺激以调制离子运输速率的人工离子通道膜对于金属离子的回收及检测至关重要。但是，构建兼具离子运输可逆调制能力和理想离子选择性的智能人工离子通道膜是本领域的巨大挑战之一。
为此，张炜铭教授联合昆士兰大学张西旺教授，构建了一种对苯二胺（PPD）插层的二维MXene膜（MLM-PPD），该膜兼具抗溶胀能力和有序堆叠的二维亚纳米通道。MLM-PPD通道内的pH敏感基团（胺基）对Mg2+运输形成了可逆门控能力，pH开关比超过100。此外，MLM-PPD对K+/Mg2+和Li+/Mg2+的选择性分别高达1243.8和400.9。即使面对高浓度、多种干扰金属离子的真实水体，MLM-PPD也表现出优良的金属离子分离效率。理论计算结合实验结果表明，空间位阻和PPD-离子间强相互作用分别提高了二价金属离子通过MLM-PPD的能垒，而对一价金属离子影响不大，从而实现了一/二价金属离子的选择性分离。不同pH下，PPD分子构型发生变化，PPD-离子间相互作用由低pH下的长程排斥转变为高pH下的短程吸引，由此二价金属离子渗透速率发生了快速变化，形成了门控行为。
图1. MLM-PPD离子门控和分离过程示意图
该研究以Reversible pH-Gated MXene Membranes with Ultrahigh Mono-/Divalent-Ion Selectivity为题，发表在环境领域权威期刊Environmental Science & Technology上（原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.est.3c10497）。课题组2020级博士研究生许荣明为论文的第一作者，张炜铭教授、昆士兰大学张西旺教授为通讯作者，课题组张婧玥、余航、花铭教授、潘丙才教授以及莫纳什大学博士后康源为共同作者。该项目得到了国家自然科学基金（21925602，U22A20403）、国家重点研发计划（2021YFA1201700）以及上海同济高廷耀环保科技发展基金的资助。