從鹽湖水、地?zé)猁u水及海水中高效提取鋰，是應(yīng)對鋰資源短缺問題的關(guān)鍵路徑之一。傳統(tǒng)分離方法因鈉、鉀等競爭性離子與鋰在尺寸和電荷上高度相似，導(dǎo)致它們在分離膜中的遷移行為幾乎一致，嚴(yán)重制約了鋰的選擇性與提取效率。
近期，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所高軍、楊麗君，聯(lián)合山東科技大學(xué)王博研究團隊，提出了一種創(chuàng)新的“反向提鋰”方法，實現(xiàn)了近乎完美的鋰離子選擇性截留。與傳統(tǒng)思路不同，該方法的核心在于選擇性抑制鋰離子透過，同時允許鈉、鉀等其他離子自由通過，從而在膜的一側(cè)實現(xiàn)鋰離子的高效富集。其理論基礎(chǔ)在于不同離子在遷移過程中所需克服的能壘存在差異：鋰離子具有較小的離子半徑與較高的電荷密度，通常表現(xiàn)出更高的遷移能壘。通過合理設(shè)計膜結(jié)構(gòu)，可有效利用這一差異，調(diào)控不同離子的傳輸行為，實現(xiàn)鋰離子的精準(zhǔn)分離。
基于上述原理，研究團隊構(gòu)建了一種基于卟吩孔道結(jié)構(gòu)的離子傳輸通道，實現(xiàn)了對鋰離子的近乎完全截留。該膜材料以氯化鎳與對位四羧基苯基卟啉（TCPP）為前驅(qū)體，通過溶劑熱反應(yīng)結(jié)合真空輔助抽濾技術(shù)制備而成，形成金屬氫氧化物-卟吩框架結(jié)構(gòu)膜（MHOPF）。在該膜中，卟吩孔道高度有序排列，可作為識別并截留鋰離子的高效通道。實驗結(jié)果表明，該膜能有效阻隔鋰離子，同時允許鈉、鉀、鈣和鎂等離子順利透過，展現(xiàn)出優(yōu)異的鋰篩選性能。
通過密度泛函理論計算，研究人員揭示了該膜選擇性運輸?shù)臋C制。框架中的卟吩腔體與鋰離子有著強烈的相互作用，使得鋰離子在穿越卟吩腔體時需要克服較高的能量勢壘，導(dǎo)致其難以實現(xiàn)跨膜傳輸。相比之下，鉀離子和鈉離子與卟吩腔體的相互作用較弱，其穿越卟吩腔體的過程所面臨的能量勢壘較低，因此能夠順利穿越卟吩腔體，最終實現(xiàn)跨膜運輸。這種由離子與卟吩腔體相互作用能差所決定的能量勢壘，是該膜能夠?qū)崿F(xiàn)選擇性反向提鋰的關(guān)鍵物理基礎(chǔ)。
研究團隊通過真實海水和鹽湖水體系測試，驗證了MHOPF膜的應(yīng)用潛力。此外，在使用MHOPF膜進(jìn)行電滲析實驗時，低電壓提升了其他競爭離子的滲透性，但仍對鋰離子實現(xiàn)截留，展示了該膜材料在鋰提取技術(shù)中的應(yīng)用潛力。
相關(guān)研究成果以Metal-Hydroxide-Porphin Framework Membrane for Almost Perfectly Selective Li+ Retention為題，發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)》上。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)基金和山東省重點研發(fā)項目等的支持。
論文鏈接
MHOPF實現(xiàn)幾乎完美選擇性的反向提鋰
本文鏈接：研究開發(fā)金屬氫氧化物卟吩框架膜實現(xiàn)鋰離子精準(zhǔn)選擇性保留http://www.sq15.cn/show-12-1984-0.html
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