Nature Nanotechnology：这个膜，实现锂离子反常超快传输！

米测MeLab

2026-06-22

特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

编辑丨风云

研究背景

纳米孔道中的离子快速选择性传输对于生物系统、能源转换及分子分离至关重要。尽管氮化硼纳米管（BNNT）在渗透能发电方面展现出巨大潜力，但目前尚不清楚不同碱金属离子（尤其是锂离子）在其中的传输行为，也缺乏将单纳米管研究扩展到宏观规模薄膜的有效方法，这限制了其在锂回收和“蓝色能源”收获等实际领域中的应用。

关键问题

目前，纳米孔道中离子传输的研究主要存在以下问题：

1、特定阳离子在BNNT中的传输机制仍不明确

现有研究多集中于钾盐，而锂等离子在狭窄带电BNNT中的传输特性尚属空白，这制约了其在海水淡化、电池及锂提取等关键技术中的集成与优化。

2、从单纳米管到宏观膜的规模化制备面临挑战

如何将单孔道的优异性能在具有高孔密度（如10⁷ pores cm^-2）的宏观膜中线性扩展，并建立稳定、可扩展的制造工艺，是实现工业化应用的瓶颈。

新思路

有鉴于此，罗格斯大学Jerry W. Shan、伊利诺伊大学Jerry W. Shan、Petr Kral等人研究了带电氮化硼纳米管（BNNT）中不同碱金属离子在水溶液中的传输，并使用孔密度高达10⁷ pores cm^-2的宏观、垂直排列纳米管膜将结果与碳纳米管的结果进行了比较。研究揭示，直径为3纳米和12纳米的带电BNNT中的离子传输与类似尺寸的碳纳米管或二维氮化硼纳米通道有着根本的不同。发现了两种意想不到的传输现象：一是超快、阳离子选择性扩散，超过菲克扩散达31倍；二是锂离子相对于其他碱金属离子（钾离子和钠离子）的优先增强传输速率，这与它们在体相溶液中的迁移率顺序相反。研究表明，整体快速的阳离子传输归因于扩散热渗透表面传输，而锂离子的优先增强传输被认为源于与带电BNNT的离子特异性相互作用。作为增强和阳离子选择性传输的结果，BNNT膜在1 mM:1 M LiCl浓度梯度和pH 11下产生了高达15,300 W m^-2的单孔渗透功率密度。这些现象以及灵活且可扩展的膜制造工艺，可能使针对锂回收、渗透能和其他分离及能量转换过程优化的离子选择性纳米管膜成为可能。

技术方案：

1、开发了VA-BNNT和CNT膜的场辅助溶液法制备工艺

结合电磁场排列与原位聚合技术，实现了垂直纳米管在大面积聚合物基质中的高效集成与开孔，为宏观器件开发提供了可扩展的制造方案。

2、发现了BNNT表面主导的电导率与高效阳离子选择性

带电BNNT表面赋予膜极高的阳离子选择性，其渗透能转换效率接近理论上限，在不同pH环境下展现出比CNT更强的电荷调控能力。

3、研究了反常的锂离子扩散增强与渗透能输出特性

发现锂离子传输速率逆转了体相迁移规律，并超过菲克扩散31倍，利用扩散热渗透效应实现了远超前代研究的高功率密度输出。

4、解析了锂诱导表面电荷释放机制

通过模拟证实锂能促进管壁OH⁻基团移动，消除自身在界面的运动势垒，显著增强轴向迁移效率，从而驱动了反常的超快离子输运。

技术优势：

1、发现了锂离子在BNNT中呈现反常的超快传输特性

实验证实锂离子在窄纳米管中的扩散速率比菲克极限快31倍，且其迁移率超越了钾和钠，彻底逆转了体相溶液中的离子迁移规律。

2、实现了高功率密度宏观膜的场辅助规模化制造

研究开发出一种可扩展的磁/电场辅助溶液法，成功制备出大面积垂直排列的BNNT膜，其渗透能发电密度显著提升，并能直接驱动小型电子设备运行。

技术细节

VA-BNNT和CNT膜的场辅助溶液法制备工艺

研究人员开发了一种基于溶液且辅助以外部物理场的制造方法，用于生产具有垂直排列（VA）纳米管孔的宏观膜。在该工艺中，BNNT首先通过装饰氧化铁纳米颗粒获得磁化特性，从而在磁场作用下实现垂直对齐；而CNT则利用电场诱导的偶极矩进行排列。对齐后的纳米管悬浮在液态氨基甲酸酯预聚物中，随后通过原位紫外（UV）聚合将其位置锁定。最后，利用等离子体刻蚀技术去除表面多余聚合物并打开纳米管管口，获得渗透阵列。该方法具有高度灵活性和可扩展性，能够制备出面积达20 cm²、孔密度高达6.9 × 10⁶ pores cm^-2的薄膜，为大规模应用提供了可能。

图  VA-BNNT和CNT膜

BNNT表面主导的电导率与高效阳离子选择性

通过测量发现，BNNT表现出由表面电荷主导的离子传输行为，其表面电荷密度可通过调节溶液pH值（改变OH⁻离子的吸附量）进行精准调控。实验结果显示，3纳米和12纳米直径的BNNT在宽浓度范围内均展现出极高的阳离子选择性，其迁移数（t+）在pH 11时接近1，显著优于相同尺寸的CNT膜。计算表明，BNNT在pH 11下的表面电荷密度远高于中性环境，这确保了其在高盐浓度梯度下仍能维持高效的电荷筛选能力。这种优异的选择性不仅验证了BN表面的电学特性，也使其在渗透能转换效率方面接近50%的理论极限，远超传统的纳米孔道材料。

图  BNNTs与CNTs的表面主导电导和阳离子选择性输运

反常的锂离子扩散增强与渗透能输出特性

在BNNT孔道中，K⁺、Na⁺和Li⁺的扩散速率均表现出远超菲克扩散的增强，其中Li⁺在12纳米管中的增强倍数高达31倍。令人惊讶的是，离子的传输速率顺序为Li⁺ > Na⁺ > K⁺，这与它们在体相溶液中的水化离子迁移率顺序完全相反。这种整体的加速现象可通过连续介质模型归因于双电层中浓缩离子的扩散热渗透（diffusio-osmosis）效应。得益于Li⁺的反常超快传输，BNNT膜在LiCl梯度下实现了创纪录的单孔功率密度（15,300 W m^-2），证明了窄纳米管在高性能锂回收和能源捕获中的巨大潜力。

图  BNNT中不同阳离子的增强异常扩散

锂诱导表面电荷释放机制的分子动力学模拟

为了揭示锂离子的反常传输机制，研究人员进行了从头计算和分子动力学（MD）模拟。计算显示，锂离子能显著降低OH^-基团与BN表面的结合能，从而促进内部化学吸附的OH^-释放并变为物理吸附或可移动状态。MD模拟证实，当部分表面电荷被视为可移动时，Li⁺不再被固定在管壁上，其轴向速度（v_z）显著提升并超过其他阳离子，模拟得到的电流顺序与实验观测高度吻合。这种“锂诱导的电荷释放”效应通过改变界面有效迁移率，从分子层面解释了为何锂离子能在带电BNNT中实现远超体相的超快传输。

图  不同电荷BNNT中离子输运的分子动力学模拟

展望

本文通过场辅助溶液法成功制备了具有高孔密度的垂直排列氮化硼纳米管宏观膜，并首次揭示了锂离子在其中的反常超快传输机制。研究发现锂离子扩散速率超过菲克极限31倍，并通过实验与模拟证实了“锂诱导表面电荷释放”这一关键分子机制。该成果不仅在渗透能发电密度上取得了量级突破，还演示了直接驱动小型电子设备的功能，为高性能锂回收和可持续能源技术开辟了基于一维纳米流体的新路径。

参考文献：

Cetindag, S., Pendse, A., Rehak, P. et al. Anomalous ultrafast lithium-ion transport through boron nitride nanotube membranes. Nat. Nanotechnol. (2026).

https://doi.org/10.1038/s41565-026-02182-5