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傅伯杰院士团队在黄土高原社会-生态陷阱研究方面取得新进展
中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室傅伯杰院士团队在黄土高原社会-生态陷阱研究方面取得新进展。相关研究成果以题为“Escaping social–ecological traps through ecological restoration and socioeconomic development in China's Loess Plateau”发表在国际重要刊物《People and Nature》上。
生态系统退化和贫困是威胁人类可持续发展的重大挑战，以我国典型生态脆弱区——黄土高原为例，该区长期以来面临着植被稀疏、土壤侵蚀严重、土地生产力低，人口压力大，生计贫困等突出问题，形成了越垦越穷、越穷越垦的局面，影响该区可持续发展。作为可持续性科学中广泛关注的新兴概念，社会-生态陷阱就是指自我强化的社会和生态反馈维持或推动社会-生态系统朝着不理想的状态发展，可用于解释生态系统退化和根深蒂固的贫困。然而，社会-生态陷阱研究仍然缺乏定量的分析方法，制约区域可持续发展状态的科学研判和调控。
针对社会-生态陷阱的识别与诊断，研究团队发展了社会-生态陷阱诊断框架，构建了追踪社会-生态系统发展轨迹的复合系统状态指数，结合社会-生态网络方法实现了系统要素反馈依赖关系和系统结构演变的定量表征，并以建国以来黄土高原社会-生态系统的演变为例开展了实证分析。研究表明，黄土高原社会-生态系统演变经历了3个阶段：锁定在陷阱中（1949-1981），对陷阱做出响应（1981-2003）和逃离陷阱（2003-2020）。第一个时期，快速增长的人口、有限的生计机会、对农业的过度依赖，以及严重的土壤侵蚀之间发生强化的反馈循环，使得黄土高原锁定在不理想的发展轨迹。缺乏替代生计方式的农村人口数量是第一个时期关键的陷阱因素。进入21世纪，通过生态恢复措施和社会经济发展，黄土高原逃离了以生态系统退化和贫困不断强化为特征的社会-生态陷阱。
黄土高原逃离社会-生态陷阱的重要路径包括：（1）推进城市化和生计方式多样化；（2）实施因地制宜的工程措施，如梯田和淤地坝；（3）投资生态恢复项目。这些路径和经验对于世界上类似的生态脆弱区迈入可持续发展道路具有借鉴和指导意义。基于社会-生态陷阱概念对黄土高原过去七十年的发展轨迹的审视，也强调了持续监测、评估和预测社会-生态系统演变规律在推进区域可持续发展中具有重要意义。
图1 社会-生态陷阱诊断框架
中国科学院生态环境研究中心博士研究生王壮壮为论文第一作者，傅伯杰院士为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金重点项目“黄土高原社会-生态系统演变机理与可持续性”（41930649）资助。
论文链接1：https://besjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/pan3.10513
城市与区域生态国家重点实验室
2023年9月25日
2023-09-26
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《村镇污染治理设施及场所生物气溶胶采样与分析标准》编制组成立暨第一次工作会议在京顺利召开
9月15日，我中心主编的中国工程建设标准化协会标准《村镇污染治理设施及场所生物气溶胶采样与分析标准》（以下简称“标准”）编制组成立暨第一次工作会议在北京顺利召开。中国工程建设标准化协会（以下简称“协会”）张红彦高级工程师、协会村镇人居环境专业委员会秘书长王建军教授级高级工程师、副秘书长余晶，中心科技开发处副处长罗莎、《标准》主编水污染控制实验室韩云平副研究员及参编单位代表共25人参会。会议由王建军秘书长主持。
张红彦代表协会致辞，并重点围绕团体标准工作流程和工作要求等方面作了专题报告。王建军表示，作为专委会归口管理立项的第一批标准，专委会高度重视其日常管理工作，愿为编制组提供全过程的指导和服务。余晶代表标准归口管理部门宣布编制组正式成立。罗莎感谢协会的支持与信任，表示中心将切实履行牵头单位主体责任，全力支持编制组按计划高质量完成编制任务。
会上，韩云平代表编制组介绍了《标准》编制大纲及方案，全体参编人员就编制过程中的关键技术问题、《标准》章节编排及任务分工等展开积极讨论并达成共识。
本《标准》将对村镇区域污染治理设施和场所环境空气中包含细菌、真菌等不同种类微生物生物气溶胶样本的采集与分析技术要求做出规范，旨在为村镇污染治理过程生物气溶胶监测提供指导，以标准化助力美丽乡村建设。
参会代表合影 水污染控制实验室
2023年9月22日
2023-09-22
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深圳市陆域生态调查评估（2021-2025年）项目启动与实施方案专家评审会在中心召开
9月12日，深圳市生态环境局在北京组织召开了《深圳市生态环境局深圳市陆域生态调查评估（2021-2025年）》项目（以下简称项目）启动与实施方案专家评审会。项目以“社会-经济-自然”城市复合生态系统理论为指导，针对深圳市快速城市化的特征，旨在进一步摸清深圳市生态家底，评估全市和各区生态状况，揭示问题，为深圳市“十五五”生态保护提供支撑。该项目由我中心城市与区域生态国家重点实验室的欧阳志云研究员负责，由我中心、生态环境部华南环境科学研究所和深圳市环境科学研究院联合承担。 深圳市生态环境局党组成员、副局长张亚立主持会议。生态环境部卫星环境应用中心首席科学家张文国，广东省生态环境监测中心党委书记、主任黄国锋，中国科学院院士朱永官出席会议并致辞。广东省生态环境厅生态处、监测处相关领导参会。会议邀请中国环境监测总站、中国科学院、清华大学等8名专家，对项目的实施方案进行评审。
会上，中国科学院生态环境研究中心代表项目组汇报了项实施方案。专家组一致同意通过项目实施方案评审，认为项目的预期成果将为深圳城市生态保护与管理及深圳城市高质量发展提供决策支撑，为全国城市生态调查评估工作提供样板。项目组将会根据深圳市生态环境局的最新要求和专家组建议进一步完善与优化实施方案，抓紧推进项目的实施，积极跟进国家、广东省以及国际合作相关要求，边研究、边产出、边应用。本项目的实施将有望在城市可持续发展等方面形成一批引领性、示范性、可复制可推广的城市生态保护经验。
城市与区域生态国家重点实验室2023年9月15日
2023-09-15
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阮挺等在Chemical Reviews发表新污染物筛查和评估系统方法的封面综述
9月13日，由阮挺研究员等撰写的综述论文“Identification and Prioritization of Environmental Organic Pollutants: From an Analytical and Toxicological Perspective”在化学领域权威期刊Chemical Reviews正式发表。
以多种污染物共存、污染效应叠加为核心的环境污染行为和生态健康风险问题，是全球环境科学和地球化学领域的研究前沿。自2006年江桂斌院士提出筛选和识别环境介质中新污染物的研究方向以来，课题组成员在筛选识别策略和分析方法体系方面取得重大原创性突破，相继发展了“从物质到效应”和“从效应到物质”的研究策略，并针对性地建立了评估潜在污染物环境行为能力的方法框架。参与编写了UNEP标准参考方法，在TrAC-Trend Anal. Chem.和Environ. Sci. Technol.组织分析方法和环境应用的研究专刊；发现的新污染物相继被《斯德哥尔摩公约》文件、USEPA Methods收录。上述工作带动了环境中新污染物筛选与鉴定的研究，成为全球新污染物研究的热点领域。
中国是世界工业品的重要生产基地，且拥有高强度的农业和养殖业。伴随着工业化和城镇化的持续推进。有毒有害化学物质污染严重已成为制约我国社会经济保持高速增长的核心问题。2021年，我国十四五规划和2035年远景目标纲要中首次明确了“重视新污染物治理”已成为国家未来发展的重大战略需求。习近平总书记在2023年7月17-18日召开的全国生态环境保护大会上强调：要加强科技支撑，把新污染物治理等作为国家基础研究和科技创新重点领域。生态环境部指出开展新污染物治理需基于问题导向，实施以有效防范新污染物环境与健康风险为核心的治理策略，构建以精准筛查、科学评估和风险管控为主线的防控思路。其中，“筛”和“评”是方法和基础，“控”是目的和手段，前者决定后者的内容。发展新污染物筛查和评估系统方法能够有效提升对我国典型地区新污染物组成分布、迁移转化和生态健康风险的准确理解；对于显著加强污染预防和政策管控、积极促进区域经济与生态环境的协调发展具有重要的现实意义。
论文工作得到了国家自然科学基金委重大研究计划、国家科技部重点研发计划、中国科学院青年创新促进会项目的支持。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemrev.3c00056
环境化学与生态毒理学国家重点实验室
2023年9月14日
2023-09-14
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国家重点研发计划“城市格局演变的生态环境效应与调控技术”项目深入首都西部生态屏障区和城市副中心开展示范区调研
8月29日，国家重点研发计划《城市生态格局演变的生态环境效应与调控技术》项目组赴门头沟区龙泉地区七平方新城、门头沟区妙峰山镇丁家滩村和房山区河北镇东庄子村等首都西部生态屏障区的人口密集典型区域，对7月29日至8月2日历史罕见特大暴雨的受灾情况和灾后生态修复策略、拟开展示范区域的基本情况和规划定位等方面开展了调研。并通过走访受灾地的行政管理部门、灾后重建机构和村民家中，深入了解了当地受灾情况和灾后重建意愿等，为城市自然灾害脆弱区域的城市格局调控技术研发、实践与示范落地典型区域的选取、实施提供了支撑。同时项目组还调研了北京城市副中心环城绿色休闲游憩环，包括通州萧太后河周边地区和潞城镇东六村棚户区改造地区，为开展城市格局优化的技术研发与实践落地提供了示范的选择。 《城市格局演变的生态环境效应与调控技术》项目由我中心城市与区域生态国家重点实验室的周伟奇研究员主持，于2022年启动，旨在研发关键物种空间识别、社会-生态格局感知、三维景观历史重构等核心技术，揭示城市格局的演变规律与驱动机制，探究城市格局演变的生态环境综合效应，以及格局-过程-功能-服务的多尺度级联效应与机制；研发基于生态系统服务的生态空间优化与调控技术，提出格局优化与功能提升的适宜模式并开展应用示范。来自中国科学院地理科学与资源研究所、北京大学、武汉大学、上海交通大学、中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所、中国科学院沈阳应用生态研究所、中国环境监测总站、北京市城市规划设计研究院等项目参与单位的50余项目研究骨干和研究生参加了此次调研，为项目的技术研发与最终的实践落地奠定了良好的基础。 丁家滩村受灾情况门头沟受损情况 大石河沿岸的东庄子村受灾情况通州区环城休闲游憩环环境综合提升分布项目组调研人员在丁家滩村村委会城市与区域生态国家重点实验室2023年9月5日
2023-09-05
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陈利顶研究组分布式水文模型多目标多站点校验方面取得新进展
陈利顶团队与来自包括中国科学院地理科学与资源研究所、南海海洋研究所，美国普渡大学、宾夕法尼亚州立大学、奥本大学、加州大学戴维斯分校、佛蒙特大学、美国国家大气研究中心、拜耳公司美国分部等多家科研和企业单位的研究人员合作，开发了分布式模型参数优化工具（Distributed Model Parameter Optimization Toolbox），并将该工具同广泛使用的SWAT模型进行耦合，构建DMPOTSWAT软件工具。该成果发表于《Environmental Modelling & Software》 期刊（文章链接：https://doi.org/10.1016/j.envsoft.2023.105785 ）。
水文模型通常采用分布式参数设置，这种设置方式虽然提高了模型对水文水质过程的空间异质性和同人类活动的相互作用的复杂性的表征能力，但是也极大地提高了模型校验的难度，于是研究人员便开发出来了许多能够进行对分布式模型进行自动校验的工具。然而，当前的校验工具多采用集总式（The Lumped Mode）的校验方式对分布式模型及进行校验。集总式的模式是说在分布式模型的参数校验过程中，通常是按照统一的校验算法来对模型进行修改，比如同一个参数在不同子流域都进行相加、相减或者按照统一比例变化，最后得出一套最优的参数变化规则来适配全流域。
这对于空间异质性不高、水系简单的流域模型来说是可行的，但是对于空间异质性普遍较高、人类活动影响较大、水系结构复杂的流域来讲，不同的子流域对同一个参数可能是需要不同的修改规则，有的子流域需要增大，有的则需要减小。针对该需求，当前研究中提出的是顺序校验，也就是从上游向下游子流域组进行依次校验。校验下游过程中，保持上游子流域组的参数不变。这种模式有三个缺点，一个是需要多次校验，另一个是无法实现上下游之间参数的共同演进，第三个是无法适用于水系复杂的流域。
基于这样的问题，我们设计了分布式的校验模式，如下图所示。按照流域的出口对子流域进行分组，将不同的组同时但分别进行优化，最后得出适合于每一子流域组的最优参数修改规则。这种校验模式在当前的校验工具中尚不能实现。为了实现模式的应用，我们利用python语言将其开发出来，产品如下图所示。在软件中利用深度优先算法（Depth first search）对子流域组进行划分，参数的优化采用动态维度算法（Dynamic Dimension Search），优化过程中，对每一个子流域组进行单独优化。该算法不仅实现了不同子流域组之间的同时优化，也免去了多次校验的需求，极大地提高了校验的效果和效率。该软件发布之后，经过在中美多个类型的流域进行测试，都取得了良好的效果。
当前该软件可以在生态环境中心城市与区域生态国家重点实验室官网的生态模型云平台（http://dse.rcees.cas.cn/kyzy/stmx/）、GitHub和Gitee等网站下载，其中包含了详细的使用手册，并保持对该软件的维护，欢迎有需要的研究人员测试使用，并为软件的改进提出宝贵的意见（联系人：冯青郁，电子邮件：qyfeng18@rcees.ac.cn）。
城市与区域生态国家重点实验室
2023年8月25日
2023-08-25
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曲广波等在Chem Soc Rev合作发表单质磷材料环境应用的封面文章
单质磷材料（Elemental Phosphorus Materials, EPMs）因其独特的多态性，在物质科学领域日益受到重视。为更深入、系统地解析不同单质磷材料的异同点并明确其在各应用场景的价值，中国科学院生态环境研究中心江桂斌课题组曲广波与深圳先进技术研究院喻学锋、王佳宏团队合作，在化学领域权威期刊《Chemical Society Reviews》发表了题为“Renaissance of elemental phosphorus materials: properties, synthesis, and applications in sustainable energy and environment”的综述文章，并被遴选为外封面论文（Outside front cover）。
图1 当期封面和单质磷材料性质、合成及环境应用总览图
文章深入探究了各类单质磷材料的基本理化性质，并明确了它们在实际应用中的优势和局限性。通过分析这些单质磷之间的结构和性质差异，该综述提供了针对性的合成策略，有助于在各自的应用场景中实现最佳性能。文章还进一步展望了单质磷材料的未来研究趋势，特别是关注了新同素异形体预测、特殊理化性质探索、大规模合成及应用优化等关键领域。
图2 单质磷类材料在能源转换、储存和环境修复领域应用示意图
该论文的第一作者为浙江大学直博二年级联合培养生田海江，研究得到了国家自然科学基金委、深圳市科技创新委员会、中国科学院青年创新促进会和中国科协青年人才托举工程的支持。
论文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/cs/d2cs01018f
环境化学与生态毒理学国家重点实验室
2023年8月25日
2023-08-25
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中心与落基山研究所联合发布“乡村碳中和发展指数”研究报告
8月14日，由落基山研究所主办的绿色低碳发展与碳中和研讨会在青海省西宁市召开，会议主题为“引领绿色发展、打造清洁能源高地、推动新型低碳产业、贡献城乡碳中和”，旨在共同探讨清洁能源发展、产业绿色低碳转型以及城乡碳中和的机遇、挑战和策略，并结合青海省资源和生态优势，探讨区域发展模式的创新和实践。会议邀请了西宁综合保税区、南川工业园区管委会、西宁市委绿色发展委员会、西宁市工业和信息化局、青海中油新兴能源有限责任公司、西宁市农业农村局等相关单位领导；中国能源研究会常务副理事长周大地、国家乡村振兴局原司长任铁民、中国乡村发展协会常务副秘书长齐国、前农业农村部农业生态与资源保护总站首任首席专家李景明、中国农业科学院研究员李玉娥等能源与农村领域知名专家参会，中心严岩研究员应邀参会。 严岩研究员在研讨会上作了“乡村碳中和发展指数研究”专题报告，介绍了与落基山研究所合作开展乡村碳中和发展研究项目的背景和进展、构建乡村碳中和发展指数的目的意义和研究框架，以及发布的《乡村碳中和公平转型现状与展望-暨乡村碳中和发展指数》研究报告的主要内容。落基山研究所的汪明明总监介绍了全国省级尺度2020年乡村碳中和发展指数的评估结果和相关建议。“乡村碳中和发展指数”从乡村碳中和温室气体物质层面与社会经济发展层面两个维度入手，关注了乡村碳中和现状、乡村减排固碳资源禀赋、乡村民生发展状况和乡村创新投资环境等4个方面，包含9个二级指标、17个三级指标，以期更加客观和准确地反映我国乡村碳中和发展的态势和潜力，为乡村发展相关策略制定和决策提供更明晰的参考依据和指引。 我国拥有4.9亿庞大的农村人口，十八大以来，农村脱贫攻坚取得了历史性成就，农村基础设施和农村生活水平显著提升。但是，我国农村和农业的发展基础还相当薄弱，同时还面临着老龄化、空心化等诸多挑战。农村是我国实现双碳目标战略中最薄弱的领域，农村的可持续发展是我国社会经济绿色低碳转型发展中最弱势、最基础、最不稳固的环节。因此，乡村是我国双碳战略和可持续发展战略两大战略中均需要重点关注的关键领域。严岩研究组与落基山研究所在相关项目的支持下，从状态趋势评估、公平转型分析、策略模式选择、区域格局优化等多个层面开展了合作研究，本次发布的研究报告就是该项目的阶段性成果，今后还将进一步开展持续合作和深入研究。 落基山研究所是国家能源局主管的专业、独立的非盈利性机构，主要关注零碳电力、零碳工业、零碳建筑、零碳交通、城市低碳转型、智慧气候等领域。2017年，落基山研究所在北京完成境外非政府组织代表机构注册，致力于以跨行业的专业研究能力，助力中国主要的碳排放部门加速公正、公平的脱碳进程，为中国为政策制定者、专家和行业领袖提供深入的技术专业知识和解决方案建议，实现国家的能源和碳排放目标。 引领清洁能源发展、打造清洁能源高地、推动新型低碳产业、贡献乡村碳中和青海研讨会严岩研究员作“乡村碳中和发展指数研究”专题报告 《乡村碳中和公平转型：现状与展望暨乡村碳中和发展指数报告》 城市与区域生态国家重点实验室 2023年8月14日
2023-08-14
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刘振刚研究组在生物炭土壤固碳和遗留磷利用领域发表综述和观点论文
温室气体减排和碳生态封存是应对全球变暖的两个关键过程。生物炭可以在土壤环境中长时间稳定存续进行直接碳封存，还可以通过改善土壤结构和优化微生物群落、减少土壤中温室气体排放、促进植物源碳的固存。目前，生物炭已经成为促进土壤生态固碳以及温室气体减排领域的研究热点。但是，生物炭在进入土壤后的稳定机制、对土壤碳源的激发效应（图1）、对温室气体排放和养分循环的影响机制、土壤应用等核心限制因素方面的认知差距制约了生物炭材料在土壤中的安全应用。中国科学院生态环境研究中心刘振刚课题组针对上述研究进展撰写了“Carbon sequestration strategies in soil using biochar: Advances, challenges, and opportunities”的综述论文和“Hydrochar: A promising activator for legacy phosphorus in soil”的观点论文，近期分别发表在Environmental Science & Technology（doi: 10.1021/acs.est.3c02620）和Resources, Conservation & Recycling（2023, 197, 107113）期刊。
图1. 生物炭在土壤环境中关键反应过程和影响因素
综述论文首先厘清了生物炭（biochar）（热解炭（pyrochar）和水热炭（hydrochar））的定义内涵；系统比较了热解炭、水热炭在土壤环境不同稳定性及主控因素；详细探讨了热解炭和水热炭诱导土壤有机碳分解的激发效应作用机制等关键问题。首次提出土壤环境中有效态C/N化学计量比是影响生物炭稳定性和有机碳在土壤环境转化的关键因素的观点（图2）；全面阐述了生物炭中氮形态转化对土壤生态系统温室气体排放的重要贡献；通过对生物炭在土壤应用阈值、经济成本等方面限制生物炭在土壤固碳应用因素的分析，建议开展应用生命周期评价方法指导生物炭的固碳应用、降低其环境风险的相关研究。
图2. 生物炭中氮素形态转化及化学计量C/N对生物炭诱导土壤激发效应影响的示意图
基于生物炭在土壤固碳减排研究，未来研究需要基于生物炭-土壤-植物系统，加强微观机制与长期田间试验相结合的研究，完善生物炭整个生产和应用系统的生态效益和经济效益之间的权衡分析；同时，研究工作应遵循科学数据FAIR共享原则，提高试验数据的质量和完整性。最后指出：生物炭并非农田土壤实现碳中和的唯一解决方案，碳封存也不是生物炭在土壤中的唯一目的。根据土壤特性施用合适种类和用量的生物炭，有望实现促进土壤固碳和提高土壤生态的双赢，从而助力土壤生态功能提升和实现农业碳中和。
遗留磷是过量施肥而在土壤中盈余累积的磷，提高遗留磷利用效率是缓解当前磷资源短缺同时保障粮食安全的最重要途径。水热炭化作为有机固废资源化重要的负碳技术，处理过程可将有机固废中作物难以利用的有机磷转化为无机磷；水热炭富含的活性有机碳，可通过络合金属阳离子、竞争吸附位点抑制磷在土壤界面吸附等作用释放土壤固定的磷；同时，水热炭可通过提升土壤微生物种群和磷酸酶活性，触发激发效应和酶促反应，促进土壤中与有机碳结合的有机磷的矿化分解，提高土壤遗留磷（酶解）活化和生物有效性。基于此，我们提出水热炭有望在提高土壤遗留磷的有效性和利用效率、实现土壤遗留磷和有机固废高效循环利用等方面的发挥重要作用（图3）。
图3. 土壤遗留磷循环及水热炭的潜在影响作用机制
以上工作得到了国家自然科学基金和山东省重大科技创新工程等项目资助。两篇论文的第一作者均为罗磊副研究员。
论文链接详见：
https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.est.3c02620
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0921344923002495
固体废弃物处理与资源化实验室
2023年7月31日
2023-07-31
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曲久辉院士团队在离子跨膜脱水合机制研究方面取得新进展
中心曲久辉院士团队与化学研究所汪福意团队合作，利用前期开发的微流控过滤-液相飞行时间二次离子质谱（Microfluidic filtration-in situ liquid ToF-SIMS）原位表征方法（JACS, 2021），在水合离子跨膜传输脱水合机制研究方面取得新的重要进展。相关成果发表在著名国际期刊《Science Advances》（文章链接DOI: 10.1126/sciadv.adf8412）和《ACS nano》（文章链接DOI: 10.1021/acsnano.3c03028）上。
离子选择性滤膜在水质净化、资源回收及生物制药等领域应用潜力巨大，受到研究与技术人员的广泛关注。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。
研究团队基于前期开发的Microfluidic filtration-in situ liquid ToF-SIMS表征技术，结合过渡态理论与分子动力学模拟，识别了典型阴离子（F-、Cl-和Br-）在聚酰胺纳米通道内的脱水合行为差异。进一步通过受阻传输理论结合跨膜传输过渡态理论（TST），确定三种阴离子的分配（即Epartition）和孔内扩散（即Ediffusion）过程所需的能量，证明了总跨膜能垒Ea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。基于Eyring提出的离子跨膜传输过渡态理论可以将跨膜能垒分解为焓组分（△H）与熵组分（-T△S），发现二者之间存在此消彼长的熵-焓补偿规律，证实分配过程中与焓相关的脱水合及静电排斥产生的能垒决定了阴离子的传输特征。
图1. 脱水合强化的离子-膜孔静电相互作用解析
通过不同跨膜步骤对跨膜能垒贡献的定量化分析，揭示了脱水合增强的离子-膜孔相互作用主导了阴离子分离选择性的机制，即强水合离子发生部分脱水合后，静电排斥贡献的能垒显著增加。同时，基于脱水合增强的离子-膜孔静电排斥机制，膜电荷增强后，纳滤膜限域孔道中（Br-/F-）选择因子显著提升，进一步证明了由脱水合驱动的水合结构动态变化对静电作用的增强效果。该研究以题为“Dehydration-enhanced ion-pore interactions dominate anion transport and selectivity in nanochannels”发表在著名国际期刊《Science Advances》上。
图2. 离子通过均匀尺寸孔道复合膜的选择性传输机制
由于高分子聚合物纳滤膜的膜孔结构复杂性，干扰了传输机制的定量分析。为此，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，分析了典型的碱金属离子水合强度对于脱水合的影响机制。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。该研究以题为“Steric Hindrance-Induced Dehydration Promotes Cation Selectivity in Trans-Subnanochannel Transport”发表在期刊《ACS Nano》上。
本研究得到了国家杰出青年科学基金项目、国家自然科学基金面上项目、中国科学院基础前沿科学研究计划“从0到1”原始创新项目的支持。两篇论文的第一作者分别是特别研究助理陆成海和博士生陈志彬，通讯作者均为中心胡承志研究员、曲久辉院士以及中科院化学所张燕燕副研究员。
文章链接：10.1126/sciadv.adf8412
10.1021/acsnano.3c03028
环境水质学国家重点实验室
2023年7月13日
2023-07-13
