中科院理化所江雷/闻利平/孔祥玉团队Nature子刊：构筑仿生离子通道用于稀土离子回收

稀土元素由17种金属元素组成，包括镧系元以及IIIB族的钪和钇。这些稀土元素在冶金、军事、石油化工、玻璃陶瓷、农业和新材料等领域具有重要的作用。稀土的富集和分离在资源的生产和循环利用中起着至关重要的作用。传统的稀土分离采用酸浸过程，过程复杂，设施庞大、并伴随着有机溶剂的大量使用，对环境造成了极大的破坏。此外，由于稀土离子之间极其相似的物理化学性质，对单一稀土元素的分离极具挑战性。

近日，来自中国科学院理化技术研究所的江雷/闻利平/孔祥玉研究团队报道了一种功能化的仿生离子通道，并将其用于稀土离子的分离。该研究团队制备了具有不对称结构和氨基酸功能化的仿生纳米流体通道，该通道在混合的镧系（Ln3+）离子溶液中可实现超快速、选择性提取镝（Dy3+）离子。其中，Dy3+在通道中的电导率比在体溶液中高出两个数量级，通道对镝离子与钕离子的选择性（Dy3+/Nd3+）高达~60。研究团队设计的仿生离子通道能有效提取超低浓度的Dy3+，并使得Nd3+的纯度达到99.8 wt.%，这种性能有望在稀土资源的循环利用和环境保护等领域发挥重要作用。理论模拟表明，在限域通道中，Dy3+与表面氨基酸分子优先结合，这源于配位匹配以及离子半径的耦合作用。相关成果以“High-efficiency dysprosium-ion extractionenabled by a biomimetic nanofluidic channel”为题发表在《Nature Communications》上，第一作者为中国科学院理化技术研究所特别研究助理辛伟闻博士。

图文导读

图1. 仿生通道中的非对称离子传输。（a）生物离子通道。（b）用于稀土离子选择性传输的仿生离子通道。（c-f）不同修饰条件对应通道的I-V曲线及离子电导。（g）不同修饰程度通道表面对应的XPS结果。（h）不同电压下仿生通道的离子电导随时间的分布情况。（i）离子电导分布统计。

图2. 仿生通道扩大稀土离子传输行为的差异性。（a）不同稀土离子的I-V曲线。（b,c）不同稀土离子在-2V（b）以及+2V（c）电压下的离子电导率。（d）稀土离子间的电导率之比。（e）仿生通道对稀土离子传输差异作用效果。（f）稀土离子在体相以及通道中的迁移率。（g）体相与通道中Dy3+/Nd3+的迁移率差异。

图3. 稀土离子与氨基酸基团相互作用表征。（a）稀土离子与GLP分子相互作用后的核磁共振氢谱。（b）稀土离子与GLP分子相互作用后的络合常数。插图是镝离子与钕离子分别与GLP分子的滴定变化关系。（c）镝离子与钕离子与GLP分子作用后的X射线吸收近边图谱。（d）镝离子与钕离子与GLP分子作用后的傅里叶变换延伸X射线吸收精细图谱。（e）镝离子与钕离子与GLP分子作用后以及它们的氧化物对应的小波变换图谱。

图4. 仿生通道的稀土离子分离性能。（a）在施加+2V偏压条件下，不同稀土离子的传输速率。（b）在施加-2V偏压条件下，不同稀土离子的传输速率。（c）在施加+2V偏压条件下，不同稀土离子的速率之比。（d）在施加-2V偏压条件下，不同稀土离子的速率之比。（e,f）接收液以及原液中各种稀土离子含量之比变化。（g）仿生离子通道用于二元稀土（Dy3+/Nd3+）离子分离。（h）二元离子分离循环性能。（i）二元溶液经过一级分离后各溶液中两种稀土离子含量变化情况。

图5. 理论计算。（a）稀土离子与GLP片段结合的简化模型。（b）不同稀土离子的结合能统计。

总结：作者提出的用于稀土离子分离富集的仿生离子通道，避免了使用有机试剂以及废酸或者废碱的产生，是一种绿色、可持续的方法，为稀土离子的分离提供了潜在的操作平台。

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来源：高分子科学前沿

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