渗透能源自水体盐度梯度，是一种储量巨大且可再生的能源载体，仅河流入海口的年发电潜力即可满足全球17%的电力需求。反向电渗析技术通过离子选择膜捕获盐差能，其中阴离子选择性膜通过电极反应将渗透的Cl^–转化为氯化银沉淀，可维持稳定驱动力，在工业高盐废水的人工盐差利用中展现出“变废为宝”的独特优势。然而，传统聚合物膜因孔道结构不规则导致传质阻力高，二维材料受限于复杂扩散路径与弱层间作用，而现有共价有机框架（COFs）膜则因介孔尺寸偏大、功能化修饰破坏通道有序性等问题，难以实现原子级电荷分布。开发兼具高阴离子选择性与低传质阻力的离子膜成为推进该技术实用化的关键挑战。

上海高等研究院“纳孔构型分离与能源转化”科研团队曾高峰研究员、徐庆副研究员联合上海大学石国升教授及宾夕法尼亚大学Joseph S. Francisco院士的理论团队，基于氯离子通道蛋白的启发，设计出一种具有原子级电荷规则分布的阴离子选择膜。该研究通过定量骨架电荷工程，精准调控骨架正电荷密度，构建出高电荷、贯通纳米通道的自支撑膜材料。在不引入金属离子及支链位阻的前提下，实现了氯离子的高效选择性传输，同时保持通道低传质阻力。实验表明，该膜在模拟高浓盐水梯度（50000倍）下，发电功率密度达240 W m⁻²，突破商业化阈值近50倍，系统电阻低至5 kΩ，连续稳定运行80小时。相较于传统聚合物膜（约7 W m⁻²）及二维材料体系（5-50 W m⁻²），其能效提升显著，为工业高浓卤水资源化利用与分布式盐差发电提供了解决思路。

该成果近日以“Quantitative Skeletal-Charge Engineering of Anion-Selective COF Membrane for Ultrahigh Osmotic Power Output”为题发表于《美国化学会志》（J Am Chem Soc, 2025, 147, 15777）。论文第一作者为上海高研院博士生郑双、上海大学刘星博士和王春雷教授及上海交通大学博士生欧阳兆锋，第一单位为上海高研院。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市及中国科学院等项目支持。

离子传输控制是以物理场、材料界面及动态响应机制为调控手段，通过跨尺度干预离子迁移路径、速率及选择性，实现离子输运精准操控的核心技术体系，是连接化学、材料、能源、环境等领域的共性科学节点。“纳孔构型分离与能源转化”科研团队长期深耕晶态多孔材料的离子限域传输控制领域，以新型材料为核心对象，进行材料端系统探索，实现位点动态活化（“点活泼”）、构建低阻传输通道（“线通畅”）、优化表界面能垒分布（“面丝滑”）。基于离子传输控制的细分场景与多学科应用，在离子截留与快速脱盐（Nat Water 2023, 1, 800; JACS 2024, 146, 3075; Nat Commun 2017, 8, 825）、离子定向传输与电池枝晶抑制（Adv Mater 2024, 36, e2313076; Angew Chem Int Ed 2025, 64, e202417973）、离子吸附与资源回收（Angew Chem Int Ed 2024, 63, e202317015; Angew Chem Int Ed 2024, 63, e20240488）、离/电/质子耦合传输与分子电转化（Nat Commun 2023, 14, 3800; Nat Commun 2024, 15, 1889; Angew Chem Int Ed 2024, e202319247）进行了系统研究。此次提出的“定量骨架电荷工程”策略，通过分子动力学模拟与实验验证相结合，揭示了带电通道骨架与阴-阳离子的静电相互作用机制，不仅深化了离子限域传输控制的理解，也为高性能渗透能膜材料设计提供了支持。（图/文：郑双）

论文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.5c03492