碘是工業和生物學不可或缺的微量元素，但其在地殼中豐度極低，傳統回收技術效率不高且過程復雜。受人體甲狀腺濾泡腔中碘離子（I^?）攝取與氧化通路的啟發，本研究旨在開發一種能同時實現碘離子高效富集與原位轉化的仿生策略。在甲狀腺中，細胞外的I^?通過鈉/碘同向轉運體（NIS）被主動轉運至濾泡上皮細胞內，并跨頂膜進入濾泡腔。在這個類似微反應器的受限環境中，I^?在甲狀腺過氧化物酶（TPO）和過氧化氫（H₂O₂）作用下被迅速氧化為活性碘物種。本研究模仿這一生物過程，設計并構建了一種基于多孔有機聚合物（POP）的仿生微離子反應器（MIR-POP）。

MIR-POP通過季銨化反應合成，并進行了陰離子交換以提升環境兼容性。表征結果顯示，MIR-POP具有無定形特征、海綿狀多孔網絡結構，其孔徑分布包含介孔（2-50 nm）和更小的微孔（約0.8-1.0 nm），后者可作為I^?預富集和后續轉化的“反應室”。材料表面的陽離子咪唑鎓位點提供了靜電吸附I^?的能力。

在性能評估中，MIR-POP在酸性條件下（pH 2）并輔以光誘導時，對I^?的吸附性能最佳。吸附等溫線實驗表明，在光誘導條件下，MIR-POP對I^?的吸附容量達到創紀錄的853.06 mg g^?1，遠超無光條件下的612.62 mg g^?1，也顯著優于已報道的金屬有機框架（MOF）、共價有機框架（COF）、層狀雙氫氧化物（LDH）等材料。材料在吸附后迅速變色，暗示了碘物種的氧化。

對照實驗證實，不含離子交換位點的聚合物（non-MIR-POP）僅具備物理吸附能力，其吸附容量（41.88 mg g^?1）和吸附速率遠低于MIR-POP，這凸顯了離子交換位點對I^?空間預富集及后續光誘導氧化的不可或缺性。動力學實驗顯示，MIR-POP在30秒內即可快速去除88.6%的I^?。

在實際應用潛力方面，MIR-POP在存在大量競爭陰離子（如SO₄^2?、NO₃^?）時，光誘導條件能顯著增強其對I^?的選擇性。材料經過5次吸附-脫附循環后，仍能保持92.1%的去除效率，且結構穩定。在模擬采礦廢水和青海達布遜湖采集的天然鹵水中，MIR-POP在光誘導下分別實現了93.8%和85.8%的碘回收效率，展示了其在復雜水環境中的實用可行性。

為了闡明作用機理，研究對碘負載后的MIR-POP（MIR-POP@I^?）進行了系統表征。掃描電鏡（SEM）和元素分布圖顯示碘在材料表面均勻分布，同時氯含量下降，證實了I^?與Cl^?的陰離子交換過程。X射線光電子能譜（XPS）分析表明，無光條件下吸附的碘主要以I^?形式存在；而在光誘導條件下，碘物種則轉化為碘分子（I₂）、三碘離子（I₃^?）和五碘離子（I₅^?）。高分辨率N 1s譜圖結合拉曼光譜（在110、147和222 cm^?1出現特征峰）進一步證實了聚碘物種的形成及其與材料氮位點之間的電荷轉移作用。電子順磁共振（EPR）譜圖顯示光誘導條件下信號更強，表明存在與活性碘中間體相關的未配對電子，證實了光激活自由基途徑的參與。

基于以上分析，研究者提出了MIR-POP上I^?的光誘導轉化路徑。材料中的吸電子三嗪環在光激發下促進氧還原反應，逐步將O₂還原為H₂O₂。EPR檢測證實了超氧自由基（·O₂^?）和羥基自由基（·OH）的生成。隨后，產生的H₂O₂作為主要氧化劑，將預富集的I^?氧化為I₂，并在過量I^?存在下進一步穩定形成I₃^?和I₅^?。這一機制與甲狀腺過氧化物酶介導的I^?氧化通路高度相似。

本研究成功開發了一種受甲狀腺啟發的微離子反應器，將碘離子富集與光氧化轉化統一于單一多孔有機框架內。通過模仿自然的濾泡腔通路，MIR-POP在不使用外部氧化劑的情況下，實現了前所未有的碘離子吸附容量和快速動力學，并在強競爭性離子條件下保持高選擇性。該仿生系統在模擬工業廢水和天然鹵水中均表現出卓越的碘捕獲能力，突顯了其在處理采礦廢水和回收碘資源方面的巨大潛力。這種光驅動的富集-轉化協同策略不僅提高了提取效率，還最大限度地減少了二次廢物的產生，為解決傳統吸附或氯基氧化工藝的關鍵缺陷提供了新思路。這種甲狀腺式的策略展示了仿生微反應器在協調高效資源回收與環境可持續性方面的潛力，其受限富集-氧化耦合的概念為設計下一代功能材料、以應對更廣泛的離子選擇性回收、污染控制和可持續元素利用挑戰提供了一個通用框架。