在国家自然科学基金项目 (批准号：52125003、51978646、21927804) 资助下，中国科学院生态环境研究中心曲久辉院士、胡承志研究员团队与中国科学院化学研究所汪福意团队合作，在离子跨膜脱水合与选择性传输机制研究方面取得进展。相关成果分别以“脱水合增强的离子-膜孔相互作用主导阴离子在纳米通道中的选择性传输 (Dehydration-enhanced ion-pore interactions dominate anion transport and selectivity in nanochannels) ”及“亚纳米孔道筛分诱导的脱水合促进阳离子选择性传输 (Steric hindrance-induced dehydration promotes cation selectivity in trans-sub nanochannel transport) ”为题，发表于《科学进展》 (Science Advances) (DOI：10.1126/sciadv.adf8412) 和《ACS纳米》 (ACS Nano) (DOI: 10.1021/acsnano.3c03028) 杂志上。

离子选择性纳滤膜在水质净化、资源回收及生物制药等领域应用广泛。探明离子在亚纳米孔道内的传输机制，对于高选择性膜材料的发展至关重要。由于缺乏合适的原位表征技术，对离子跨膜的水合结构转变与调控机制的认识十分有限，下一代膜材料的开发缺乏基础理论支撑。

研究团队采用前期开发的微流控过滤-原位液体飞行时间二次离子质谱 (Microfluidic filtration-in situ liquid ToF-SIMS) 表征技术，解析了典型阴离子 (F^-、Cl^-和Br^-) 在聚酰胺纳米通道内脱水合行为差异。进一步结合跨膜传输过渡态理论与分子动力学模拟，证明了总跨膜能垒E_a与水合尺寸间存在较强的相关性，离子跨膜传输难易程度与脱水合现象密切相关。通过对不同阶段跨膜能垒贡献的定量化分析，发现强水合离子发生部分脱水合后，有效电荷显著增强，静电排斥贡献的能垒随之增加，即脱水合增强的离子-膜孔相互作用主导了阴离子分离选择性 (图1) 。同时，基于脱水合增强的离子-膜孔静电排斥机制，膜表面电荷增强后，纳滤膜限域孔道中 (Br^-/F^-) 选择因子显著提升，进一步证明了脱水合驱动的静电作用增强效果。

由于高分子聚合物纳滤膜的膜孔结构复杂，干扰了传输机制的定量分析。为此，研究团队进一步研制了具有均匀亚纳米孔道结构的ZIF-8膜，使用Microfluidic filtration-in situ liquid ToF-SIMS表征技术，分析了典型碱金属离子水合强度对脱水合的影响机制。结果表明，离子水合能的差异决定了过膜后离子的水合数分布特征，亚纳米孔道的尺寸筛分导致了离子跨膜脱水合。进一步分析了离子跨膜传输过程中的能量势垒，发现：1) 离子通过亚纳米膜孔时，孔口分配过程的脱水合能垒主导了离子跨膜选择性；2) 脱水合能垒占据离子跨膜总势垒的60%-90%，进入膜孔后的扩散过程对离子跨膜选择性影响较小 (图2) 。

本研究成果还可以解释其他与水合结构密切相关的离子传输现象，弥补了对离子限域传输机制认知的不足，有望科学指导下一代纳滤膜材料的开发。