新聞網(wǎng)訊 近日，我校材料科學與工程學院2022級碩士研究生包世文同學在離子篩分領域取得重要研究進展，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/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，青島大學為第一通訊單位。
實現(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，但選擇性遠不足以滿足海水提鋰需求。本文研究團隊則反其道而行之，通過構筑隨機取向共價有機框架（COF）基膜材料（圖1），發(fā)展了一種可精準截留鋰、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隨機取向COF基分離膜的構筑
研究利用垂直排列的納米片陣列作為基底誘導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，誘導實現(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。進一步，團隊發(fā)現(xiàn)磺酸基團可特異性提高鉀、鈉離子通量，但難以提升鋰離子通量。綜合分析得出，隨機取向?qū)е碌臉O窄孔徑與磺酸基團的協(xié)同效應是所制備的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的同時，可實現(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）。在此基礎上進一步結合電滲析，可在多種競爭離子（鈉、鉀、鎂、鈣離子）高通量傳輸?shù)耐瑫r仍然保持鋰離子通量為零，最終實現(xiàn)了近乎完美選擇性的鋰離子篩分并應用于真實鹽湖鹵水中鋰離子的精準提取（圖2）。研究成果可為隨機取向COF基膜材料的設計和應用提供新思路，也可啟發(fā)其他高值稀有元素的高效分離。
圖2電滲析實現(xiàn)競爭離子的高通量傳輸及鋰離子的完全截留并應用于鹽湖提鋰
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