01 专刊介绍

Green Carbon是由中国科学院青岛生物能源与过程研究所（以下简称"青岛能源所"）主办的英文学术期刊，致力于报道绿色与可持续技术领域的前沿交叉成果。

二十载耕耘，薪火相传。恰逢青岛能源所成立20周年之际，Green Carbon第13期（Volume 4, Issue 3）将作为“青岛能源所建所20周年专刊”于2026年9月出版。

本专刊收录20篇主编特邀高水平文章，作者均为长期关心支持青岛能源所发展的战略科学家，以及绿色碳科学相关领域的公认领军专家。专刊涵盖绿碳科学与可持续技术领域的基础科学发现、关键技术创新、系统过程集成，以及标准与政策框架建议等内容，全面呈现该领域的代表进展与未来方向。

衷心感谢所有撰稿人为本专刊贡献前瞻性学术洞见、系统综述与标志性研究成果，以及对青岛能源所与Green Carbon期刊的大力支持！

02 导读

题目：Bionic Ultralow Energy Consumption for Energy Conversion, Storage, and Precision Separation

作者：Jun Gao, Zhaoyu Ma, Lei Jiang*

推送导读：

生命系统用约100瓦的能耗驱动人体复杂的生理网络，电鳗能在毫秒内产生600伏电压却不会电伤自己，海洋鱼类的鳃可以在盐度梯度下精准调控离子平衡——这些看似神奇的生物现象背后，隐藏着一个共同的秘密：在纳米尺度的微小通道中，分子和离子的运动方式与我们日常看到的流体显著不同，它们可以用极低的能量完成高效的传输和转换。

中国科学技术大学苏州高等研究院江雷教授团队在专刊发表文章"Bionic Ultralow Energy Consumption for Energy Conversion, Storage, and Precision Separation"，系统阐释了仿生超低能耗（Bionic Ultralow Energy Consumption）这一理论框架如何指导不同维度仿生通道的结构设计，继而突破当前渗透能转化、电化学储能和精准分离场景中的经典瓶颈。这一框架将纳米通道维度、化学环境与传输自由能过程联系起来，为兼顾通量、选择性与能效提供了统一的设计思路，也为可持续能源转化、储存及精准分离技术从生物启发走向工程应用奠定了概念基础。

03 主要内容

一、什么是仿生超低能耗

人体每天摄入约8400千焦能量，换算成持续功率仅约100瓦，和一个普通灯泡差不多。但就是这100瓦，要支撑心跳、呼吸、消化、神经传递等无数生理过程，尤其是大脑仅用约20瓦就能完成海量的信息处理。

此外，电鳗能瞬间产生200到600伏电压，电流密度高达500安培每平方米，却不会电伤自己；海洋鱼类通过鳃上的选择性主动离子转运通道精准维持体内离子稳态。如果用经典的宏观热力学和连续介质流体力学公式计算这些过程，会预测出巨大的能量耗散，但生命系统轻松跨越了这些物理限制。这说明，生命具有独特的超低能耗机制。

而这种机制是分子或离子在纳米级通道中的有序输运。传统的物质扩散靠随机热运动，效率低下。而仿生超低能耗通过精确控制分子脱水、结合、移动、释放等过程的能量变化，把随机扩散变成有组织、有方向的传输，就像把拥挤的人群疏导到有序队列中，效率大幅提升。在这种输运形式下，能量损耗和传输阻力均大幅降低。在宏观层面，超低能耗通常表现出高通量传输（小驱动力实现高传输量）、高选择性（复杂环境中精准识别筛选）、更低的能量门槛（分子进入通道的能量障碍更低）、更高的转换效率（传输单位物质所需的外部能量投入更少）等优异性质。

比如，生物水通道蛋白每秒让约10亿个水分子通过，钾离子通道每秒让约1亿个钾离子通过。人工纳米材料已开始接近这个水平。比如基于ZIF-8的钾离子通道传输速率达每秒100万到1亿次，基于UiO-66的氟离子通道传输速率达每秒1亿到100亿次。

二、人工仿生超低能耗材料的设计

人工材料可以从不同维度来进行设计，不同维度的纳米通道各有优势和适用场景。

在一维通道中，物质只能沿轴向进出，路径简单、曲折程度低，特别适合需要精准识别和筛选的场景。比如需要从混合物中挑出特定的离子，或者需要让能量沿着特定方向传输的器件。

二维通道是由层状材料堆叠形成的，这种结构的优势在于通道高度（也就是层间距）可以精确调节，而且通道面积很大，可以在表面修饰各种化学基团来调控性能。这种结构特别适合电池中离子的快速进出、大面积的膜分离、以及需要根据离子大小精确筛选的场景。

三维通道是由多孔框架材料构成的立体网络，这种结构的优势是通道密度高、连通性好、可以提供较多的吸附或配位结合位点，适合需要高功率输出的能量器件、需要大吸附容量的分离材料、以及需要保持结构完整性的传质网络。

三、应用领域

3.1 渗透能转化

全球每年有大量河流汇入海洋，淡水和海水混合时释放的盐度梯度能（也叫渗透能或"蓝色能源"）总量高达2.6太瓦，相当于2000多座核电站的发电量。但传统的反向电渗析技术因为浓差极化（浓度梯度被削弱）和流体阻力的限制，发电功率密度往往低于5瓦每平方米，难以实现商业化应用。

电鳗给了科学家重要启示。它体内有结构不对称的离子通道，可以把化学浓度差高效转换成电流。受此启发，研究人员开发出结构不对称的纳米流体膜——通过设计特殊的几何形状（比如蘑菇形的孔道阵列）或者化学梯度（比如表面电荷的不均匀分布）来制造不对称性，把发电功率密度提升到22瓦每平方米（在真实的海水/河水条件下）；金属离子桥接的COF膜通过一维通道轴向排列，功率密度达320瓦每平方米；全天然二维蒙脱土-纤维素膜通过重叠双电层效应实现8.61瓦每平方米；三维ZIF-65人工钠通道通过Na⁺/Ca²⁺选择性将功率密度提升至103瓦每平方米量级。

3.2 电化学储能

传统电池充放电慢的主要原因之一是离子被溶剂分子紧紧包裹形成"溶剂化壳"，要进入电极必须先脱掉这层外壳，消耗很多能量。二维层状通道改变了这个局面。离子进入亚纳米级层间空间时，空间极度受限使离子排列变得整齐有序，溶剂化结构被重新调整。这种"有序离子流体"状态让离子能快速嵌入和脱出。比如，采用"交叉流"结构二维垂直梯形聚合物阴极材料可以引导离子在垂直方向通过材料本征孔道快速迁移，同时沿水平方向嵌入层间，实现超快锂离子存储。

3.3 精准分离

能源材料领域有些关键但极困难的分离问题：从盐湖卤水提取锂、从海水提取铀、分离氘和氢。而仿生超低能耗提供了新思路：通过纳米尺度受限空间调控分子脱水、结合、停留过程，把微小的物理化学差异放大成明高选择性，并同时实现高通量。在此过程中，不同维度的通道有不同的用途。

一维通道可以实现方向性单列识别。比如，仿生钙通道的COF膜在一维通道中布置偕胺肟高亲和吸附位点，可容纳单列排列的铀酰离子，在真实海水中实现铀/钒选择性734；冠醚柱撑的亚纳米层状晶体，在人工海水中锂/钠选择性达1422。

而二维通道可以实现可调层间筛分。比如，铁酸锌/氧化锌纳米片与银离子调控的层间通道可以通过电荷锁定机制选择性截留体积较大的镁离子，实现从复杂卤水中高效提取锂。

三维通道可以提供高容量互联网络。分形网络酰胺肟功能化聚合物膜，在天然海水中的铀提取容量达每克9.03毫克。多孔有机框架膜利用氯离子增强的锂离子协同传输，锂离子通量达0.44摩尔每平方米每小时，锂/镁选择性185。

此外，仿生超低能耗在同位素分离领域也有重要应用前景。比如，晶态多孔有机框架-钯纳米杂化材料通过空间受限环境降低氘气选择性吸附的能量门槛，实现常温或温和条件下分离氘气和氢气——相比传统钯膜（需高温）或量子筛分吸附剂（需超低温），该方法的能耗更低。

四、挑战与展望

在论文中，江雷教授进一步指出了仿生超低能耗领域面临的挑战。

第一是表征问题。仿生超低能耗过程在微观层面上表征难度大，需要发展新的高精度、抗干扰表征方法。

第二是规模化制备问题。在实际应用中，亚纳米仿生通道必须具备精确取向、均一化学性质、高面密度、长期稳定性（在实际盐度、pH、压力、温度和污染条件下），需要进一步发展的材料制造策略包括精确逐层组装、可控界面聚合、卷对卷涂覆等。

第三是器件集成的问题。怎样使离子集体有序运动从单一通道延伸至工作器件乃至膜组件，仍缺乏系统化的工程策略；需发展有效调制通道中离子有序运动的手段，并开展跨尺度、集成化验证。

04 论文信息

论文信息

J. Gao, Z. Ma and L. Jiang. Bionic ultralow energy consumption for energy conversion, storage, and precision separation[J].Green Carbon, 2026.

论文网址

https://doi.org/10.1016/j.greenca.2026.07.003

论文下载

Bionic Ultralow Energy Consumption for Energy Conversion, Storage, and Precision Separation.pdf

中文解读原链接

青岛能源所建所20周年专刊丨江雷教授：向生命学习——仿生超低能耗如何重塑能源转化与分离技术

05 作者信息

江雷 教授

江雷，中国科学院院士，第三世界科学院院士，美国工程院外籍院士，澳大利亚科学院外籍院士，欧洲科学院外籍院士，欧洲工程院外籍院士，中国科学技术大学苏州高等研究院教授、博士生导师。主要学术贡献为通过学习自然，建立了超浸润界面材料及超浸润界面化学体系，引领并推动了该领域在全球的发展，成功实现了多项成果的技术转化。2021年，超浸润性技术入选IUPAC化学领域十大新兴技术。2022 年，被选为Nature Index（美国、中国、德国、日本、法国）五强国家的中国科学家代表。现兼任英国皇家化学学会会士，Small国际顾问编委会主席、《材料科学》副主编、Green Carbon顾问委员会委员、Adv. Funct. Mater.、Acs Nano、Adv. Mater. Interfaces等杂志的编委。迄今发表SCI论文800余篇，总被引207000余次，H因子为213。

高军 研究员

高军，2009年获山东大学物理学学士学位，2014年获中国科学院化学所物理化学博士学位，导师江雷研究员，2014-2016年在美国西北大学材料科学与工程学院黄嘉兴教授课题组从事博士后研究，2017-2019年在荷兰特文特大学Frieder Mugele教授课题组从事博士后研究，2020年加入中国科学院青岛生物能源与过程研究所，现为研究员、仿生能源界面技术研究中心副主任，Green Carbon主编助理、青年编委。已在Nat. Nanotechnol.、Nat. Commun.、Sci. Adv.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.等期刊发表论文40余篇，主持国家重点研发计划课题、课题任务、国家自然科学基金面上、中国科学院高层次人才计划、山东省自然科学基金优青等项目，累计经费逾2000万。

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