在自然环境中存在大量的金属离子资源，它们在被赋予高价值的同时，也具有污染危害性。比如污水中的重金属，淡水生产过程中产生的浓盐水以及废弃锂离子电池中的锂离子等。如何将其中混合的离子资源进行高效分离是实现“变废为宝”的关键。离子分离膜为这些亟待解决的环境问题提供了一条绿色高效的处理思路，但是，如何构建具有高效离子分离性能的膜依然是一个难题。在张炜铭课题组前期工作（Angew. Chem. Int. Ed., 2022, 61: e202115443）中发现，均一有序的亚纳米孔是高性能离子分离膜构筑的关键，但仅通过尺寸排阻以及孔道-离子弱相互作用难以进一步提升离子选择性。
为此，课题组张炜铭教授、潘丙才教授联合昆士兰大学张西旺教授提出以二维MXene层状膜为基础，EDTA分子为离子识别特异性位点，构造出了具有类似钾离子通道（KcsA K+）尺寸和特异性亲和位点的二维亚纳米通道膜（MLM-EDTA）。MLM-EDTA具有规则有序的亚纳米级通道，实现了一/二价阳离子的高效稳定分离。通过实验结合理论计算与模拟，揭示了二价离子跨膜时的能垒来自于亚纳米通道的尺寸排阻效应以及限域强化的EDTA分子对离子的识别效应。在此基础上，证明了亚纳米通道内局部电荷密度对离子选择性的提升源自于电荷密度的增加增强了EDTA分子的离子识别效应。本研究为理解离子在亚纳米通道中的传输提供了一定的理论依据，为人工离子通道膜的设计开发提供了新思路新方法，这在大量应用场景（如水处理、资源回收、能量转换、纳流器件等）中都有着重要的意义。
该研究以Two-dimensional MXene membranes with biomimetic sub-nanochannels for enhanced cation sieving为题，发表在知名学术期刊Nature Communications上（原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-40742-8）。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、潘丙才教授和昆士兰大学张西旺教授为通讯作者，莫纳什大学博士后康源为共同作者。该项目得到了国家重点研发计划（2021YFA1201700）和国家自然科学基金（U22A20403）的资助。