在生物體中，質子的濃度比其他離子低六七個數量級。為控制質子傳輸、維持pH平衡，生物質子通道必須具有幾乎完美的選擇性，他們允許質子快速傳輸，但是阻止其他一切離子和分子的傳輸。對于人工材料來說，要實現這一特性非常困難。為了實現完美的選擇性，生物質子通道采用了一種與其他離子通道不同的傳輸機制，它并不需要一個開放的通道來傳輸物質，而是內部形成一條連續(xù)的氫鍵線，質子可以在線上連續(xù)跳躍，這種獨特的機制可以阻止離子和水分子的遷移，從而實現了完美的質子選擇性。
受此啟發(fā)，中國科學院青島生物能源與過程研究所的高軍研究員團隊和四川大學的黃青松教授團隊合作，利用共價有機框架材料（COF）的層間空隙構筑了具有完美選擇性的仿生質子通道。在以往研究中，人們一般利用與COF膜垂直的納米孔傳輸物質，但這些孔道比一般離子和分子大，難以阻止離子、分子的傳輸。然而，本文團隊考慮到COF實際上是一個層層堆疊的構型，層與層之間有著極窄的空隙，這些空隙的高度比除質子外的任何物質都要小，因此可以實現完美的質子選擇性。
在實驗中，研究團隊證實了任何離子或分子都無法擴散通過，但質子的擴散速率與本體水的擴散速率處于同一數量級。密度泛函理論計算表明，水分子和 COF 材料形成氫鍵線，使得質子可以連續(xù)跳躍。研究進一步發(fā)現，質子傳輸速率可以通過調整官能團的酸度來調節(jié)，酸性強的基團可以提升質子傳輸速率，但無論何種基團，質子的完美選擇比均可以保持。
本文第一作者為四川大學與中科院青島能源所的聯(lián)培博士李琪以及青島能源所博后高宏飛。工作獲得了國家重點研發(fā)計劃以及青島能源所（山東能源研究院）自主部署等項目的支持。
圖 1. TpPa-SO3H 膜的結構與表征
圖 2. TpPa-SO3H 層間的完美選擇性質子傳輸
圖 3. 可調控的質子滲透速率
文章信息：
Qi Li1,2?, Hongfei Gao2?, Yongye Zhao2, Bo Zhou2, Lei Yu2, Qingsong Huang1*, Lei Jiang3, Jun Gao2, 4, 5* Covalent Organic Framework Interlayer Spacings as Perfectly Selective Artificial Proton Channels. Angew. Chem. Int. Ed.2024, e202402094
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202402094
