A research team has developed an innovative membrane that mimics biological ion channels to achieve highly selective lithium ion separation from complex brines. Their study is published in Nature Communications, and the researchers were led by Prof. Gao J
一个研究小组开发了一种创新的膜，可以模拟生物离子通道，实现从复杂盐水中高度选择性地分离锂离子。他们的研究发表在《自然通讯》上，研究人员由中国科学院青岛生物能源与生物过程技术研究所的高军教授领导，与青岛大学的研究人员合作。
锂对电池和清洁能源技术至关重要，通常以低浓度与高浓度的钠、钾、镁和钙离子共存。传统的提取方法可能效率低、成本高或对环境有害。
受生物离子通道的启发，该团队设计了一种磺酸官能化共价有机框架（COF）-r-TpPa-SO3H。该膜的随机取向的纳米晶体结构创建了超窄、蜿蜒的通道，可以根据尺寸和水合能区分离子。
这种独特的结构实现了一种非传统的反向筛选机制，允许Na+、K+，甚至Mg2+和Ca2+等二价离子在电场下选择性通过，同时有效阻断水合的Li+离子。
“我们的方法不是通过将锂拉过膜来提取锂。相反，我们选择性地去除所有其他离子并保留锂，”QIBEBT的共同第一作者鲍世文说。“这实现了高效的单步纯化。”
在实验室测试中，该膜表现出与生物离子通道相当的显著Na+/Li+和K+/Li+选择性。其性能在复杂的溶液中保持稳定，包括真正的盐湖盐水。在电渗析条件下，膜始终去除主要的干扰离子，从而得到可供下游处理的富锂溶液。
“将高选择性与实际离子通量相结合是一个重大挑战，但这种膜实现了这两者，”合著者高教授说。“它与可扩展的电渗析系统的兼容性使其非常适合可持续的锂提取。”
为了理解这一机制，研究人员利用了计算建模。模拟表明，COF结构中的磺酸基团强烈吸引部分脱水的Na+和K+离子，促进它们的运输。相比之下，Li+离子保留了它们的水合壳，并且由于尺寸和能量势垒而被排除在外。
这种膜设计消除了对复杂的多步分离过程的需求，为从低品位或富镁卤水中回收锂提供了一条有前景的途径，这在全球供应链中变得越来越重要。
根据作者的说法，这种膜的设计不仅有效，而且用途广泛。虽然它最初是在阳极氧化铝上制造的，但它可以适用于工业规模生产的陶瓷基板，使其成为未来部署的实用选择。p