近日，中国科学院青岛生物能源与过程研究所研究员高军团队，联合江汉大学、中国科学院理化技术研究所，成功开发出一种受生物钙离子通道启发的普适性关键金属离子膜分离方法。该技术可高效、绿色、选择性地提取铀、铜、金等对新能源产业至关重要的关键金属资源，有望解决传统提取技术高污染、低效率、高能耗的长期难题。相关研究成果于2026年4月发表在国际学术期刊《自然-纳米技术》（Nature Nanotechnology）上。

随着“双碳”目标加速推进，风能、光伏、电动汽车、核能等清洁能源技术迅猛发展，对铀、铜、锂、钴等关键金属的需求呈现指数级增长。然而，我国部分关键金属对外依存度高，面临资源安全保障压力。

传统方法的局限

长期以来，关键金属资源的提取主要依赖溶剂萃取法。该方法使用有机溶剂和酸等化学试剂，存在环境负担。以铜湿法冶金为例，萃取-电积工艺虽然成熟，但萃取剂降解、有机相夹带等问题需要持续关注。

近年来，无有机溶剂的吸附法受到关注。但吸附材料存在根本性瓶颈：吸附容量与吸附速率难以兼得，且吸附饱和后需化学脱附，可能产生二次污染。

膜分离法的挑战

膜分离法被认为是绿色高效的分离技术，可在电场、压力或浓度梯度驱动下实现高效富集，无需有机溶剂。然而，关键金属离子价态高、天然易吸附——在传统认知中，吸附越强则越难脱附、越难以在膜内传输，这使得关键金属离子的膜分离面临技术挑战。

灵感来源

研究团队从生命系统中寻找解决方案。生物体内的钙离子通道具有“吸附越强，传输越快”的反常输运性能：它们对钙离子的吸附能力远强于钠离子，但能从浓度高出数千倍的钠离子背景中精准识别并高速传输钙离子。

这一特性源于两大机制：

异常摩尔分数效应：少量高亲和力离子占据宽度仅单离子尺寸的通道后，可有效排斥其他离子，实现高选择性

离子单线状排列诱导的快速集体输运：离子在窄通道内呈线状排布，静电排斥反而降低迁移能垒，提升传输速率

仿生设计思路

基于上述发现，研究团队提出：在人工膜内构建宽度与单离子尺寸相当的一维通道，并于内壁修饰对目标金属离子高亲和的功能基团，有望同时激发异常摩尔分数效应与快速集体输运，实现宏观尺度下类似生物通道的高效分离性能。

材料选择

研究团队选取共价有机框架材料（COF）作为基础平台，该材料的孔径可精确控制在单离子尺寸范围。团队在COF孔壁上引入偕胺肟基团——该基团已被证实对铀酰离子（UO₂²⁺）具有较强亲和力。

核心实验数据

实验意义

在真实海水测试中，即使面对高浓度竞争离子（如钠、镁、钙等），该膜仍能稳定富集铀。这意味着该技术不仅可用于常规矿山废水处理，也为海水提铀提供了新的技术路径。

研究团队指出，这种仿生分离机制具有普适性。通过更换特异性吸附基团，可拓展至铜、金等多种关键金属离子的分离回收。

此外，该分离机制适用于多种膜分离方法，包括扩散渗析、电渗析以及压滤，具有良好的工程适配性。

1. 降低传统萃取法的环境压力

传统溶剂萃取法每生产1吨铜，消耗萃取剂约2-5公斤，产生少量有机废液。虽单位消耗不大，但萃取剂降解产物可能对水体生态产生影响，且高浓度有机废水处理成本较高。膜分离法无需有机溶剂，全过程水相操作，可降低环境风险。

2. 拓展低品位资源开发的技术选项

对于低品位矿石、尾矿、矿坑水等传统方法经济性不佳的资源，膜分离技术因无需复杂化学试剂、能耗相对可控，可提供新的技术选项。

3. 中国原创技术的前沿探索

该技术是中国科研团队在膜分离领域的原创性突破，发表于Nature子刊，展示了我国在关键金属提取技术前沿的研究能力。

当前阶段

目前，该技术已完成实验室验证，在真实海水环境中取得了初步数据。研究团队正在攻克规模化制造仿钙离子通道分离膜的技术难题，这是从实验室走向工业应用的关键一步。

潜在应用场景

铜湿法冶金：替代或部分替代萃取工序，实现全流程水相操作

黄金氰化尾液：回收尾液中的微量金，提高资源利用率

铀矿开采：地浸采铀的母液处理、海水提铀

电子废弃物处理：稀贵金属的选择性回收