新聞網(wǎng)訊 近日，我校材料科學(xué)與工程學(xué)院2022級碩士研究生包世文同學(xué)在離子篩分領(lǐng)域取得重要研究進(jìn)展，圍繞海水、鹽湖水中鋰離子的高選擇性提取分離，提出“反向提鋰”的鋰離子篩分策略，在Nat. Commun.期刊發(fā)表了題為“Randomly oriented covalent organic framework membrane for selective Li+sieving from other ions”的研究論文。文章第一作者為青島大學(xué)/中科院青能所聯(lián)合培養(yǎng)碩士生包世文，共同第一作者為中科院青能所博士后馬曌宇。隋坤艷教授、劉學(xué)麗副教授、中科院青島生物能源與過程研究所高軍研究員為共同通訊作者，青島大學(xué)為第一通訊單位。
實(shí)現(xiàn)高選擇性的鋰離子篩分對于解決鋰資源短缺等難題具有重要意義。然而，由于尺寸及價(jià)態(tài)等性質(zhì)相近，從多種高濃度競爭離子（鈉、鉀、鎂、鈣離子）中精準(zhǔn)提取鋰離子面臨極大的挑戰(zhàn)。前人發(fā)展了多種膜材料用于提鋰，這些材料可以讓鋰離子選擇性透過，但選擇性遠(yuǎn)不足以滿足海水提鋰需求。本文研究團(tuán)隊(duì)則反其道而行之，通過構(gòu)筑隨機(jī)取向共價(jià)有機(jī)框架（COF）基膜材料（圖1），發(fā)展了一種可精準(zhǔn)截留鋰、傳輸其他陽離子的分離膜用于海水和鹽湖水提鋰，選擇性接近完美。
圖1隨機(jī)取向COF基分離膜的構(gòu)筑
研究利用垂直排列的納米片陣列作為基底誘導(dǎo)COF的垂直取向生長，通過與COF原生的水平取向生長的競爭作用，誘導(dǎo)實(shí)現(xiàn)COF微晶區(qū)之間的無規(guī)取向排列。晶界的扭曲產(chǎn)生尺寸<0.3 nm的極窄孔徑，對鋰離子傳輸產(chǎn)生極大的空間位阻。進(jìn)一步，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)磺酸基團(tuán)可特異性提高鉀、鈉離子通量，但難以提升鋰離子通量。綜合分析得出，隨機(jī)取向?qū)е碌臉O窄孔徑與磺酸基團(tuán)的協(xié)同效應(yīng)是所制備的COF基膜材料具有極高鉀/鋰、鈉/鋰選擇性的內(nèi)在原因，在允許鉀、鈉離子以可觀的通量跨膜輸運(yùn)的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)對鋰離子完全的截留（低于電感耦合等離子質(zhì)譜儀對鋰離子的檢測限）。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步結(jié)合電滲析，可在多種競爭離子（鈉、鉀、鎂、鈣離子）高通量傳輸?shù)耐瑫r(shí)仍然保持鋰離子通量為零，最終實(shí)現(xiàn)了近乎完美選擇性的鋰離子篩分并應(yīng)用于真實(shí)鹽湖鹵水中鋰離子的精準(zhǔn)提取（圖2）。研究成果可為隨機(jī)取向COF基膜材料的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供新思路，也可啟發(fā)其他高值稀有元素的高效分離。
圖2電滲析實(shí)現(xiàn)競爭離子的高通量傳輸及鋰離子的完全截留并應(yīng)用于鹽湖提鋰
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