近日，华中师范大学绿色农药全国重点实验室/化学学院李海兵教授团队在锂离子的选择性萃取与富集用于促进小麦生长发育领域取得突破性研究进展，相关成果在美国化学会材料领域国际权威期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》发表题为“Highly Selective Transport and Enrichment of Lithium Ions through Bionic Ion Pair Receptor Nanochannels”的研究性论文，该论文第一作者为博士生李广，通讯作者为华中师范大学李海兵教授，以此献给华中师大百廿华诞！
图1. 锂在农业领域的重要应用。
小麦是我国乃至世界的三大主粮之一，是保证我国粮食安全的重要农作物，其中微量元素对促进小麦的生根发芽极为重要。锂是自然界中密度最小、储量较少的碱金属元素，在农业、医药、陶瓷和新能源技术等领域有着重要的应用，特别是在农业领域，锂能调节小麦的光合作用，增加小麦的抗病能力，促进小麦的生根发育。然而地壳中锂资源丰度低，资源分配不平衡，我国80%以上的锂需要国外进口，对外依存度高，锂资源稀缺严重。同时在自然界中锂离子主要分布在土壤和地下水中，与其他碱金属和碱土金属离子共存，由于锂离子水合能高，体积小，从复杂环境中选择性萃取和富集锂离子难度极大。因此，如何从环境中高效的萃取和富集锂离子并将其用于促进小麦的生长发育是一项具有重大的战略意义和社会经济价值的任务。
图2. 不同离子对在仿生NP5纳米通道膜内的传输富集研究。
李海兵教授团队长期致力于仿生离子通道的设计与制备研究，发展了系列微纳米孔道膜材料。近日，该团队受生物体内的离子对共输运通道的启发，将氨基柱芳烃（NP5）作为锂离子对识别受体引入到人工纳米通道内，利用离子对的协同识别机理以及纳米孔的限域效应实现仿生纳米通道膜对Li+的高选择性萃取以及高通量富集回收。实验结果表明NP5纳米通道膜可有效的萃取及富集环境中的Li+，传输富集通量高达225.3 nmol cm-2 h-1。该仿生纳米多孔膜对Li+的高效萃取及富集能力，在促进绿色农业发展领域具有重要作用。
图3. 萃取和富集的锂离子溶液在促进小麦生根发芽中的应用。(Ⅰ) H2O, (Ⅱ) LiCl@Bare channel, (Ⅲ) LiCl@NP5 channel。
在农业领域，锂离子可调节小麦的新陈代谢，促进小麦的生长发育。我们将NP5纳米通道萃取和富集的Li+溶液用于培养小麦的生长，研究其对小麦生长发育的影响。空白对照组H2O培养小麦生长7天后，其株高为5.8 cm。而将萃取富集的Li+溶液用于培养小麦生长，7天后小麦株高达到10.2 cm，相较于对照组株高提高近2倍。上述结果表明仿生NP5纳米通道膜能高效的萃取及富集锂离子溶液，并用于促进小麦的生长发育。这项工作研究了仿生纳米通道膜在离子萃取和富集领域的应用，并用于促进小麦的生长，为保障国家粮食安全做出重要贡献。
项目支持：项目支持：该工作得到了国家自然科学基金(22371086、22071074)、国家重点研究发展计划(2021YFA0716702)、中央高校基本科研业务费等项目的支持。
原文链接：G. Li, Y. Wang, H. H. Luan, Y. Sun, Y. J. Qu, Z. Y. Lu, H. B. Li, ACS Applied Materials & Interfaces 2023, 15, 32753-32761.
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.3c05776
