科研進(jìn)展
青海鹽湖所Science Advances：鹽湖鋰鈉分離膜材料取得重要進(jìn)展
在全球能源結(jié)構(gòu)加速向清潔能源轉(zhuǎn)型中，鋰資源需求持續(xù)增長(zhǎng)。鹽湖型鋰資源因儲(chǔ)量豐富、開發(fā)潛力巨大，已成為我國(guó)鋰資源保障體系的重要組成部分。但傳統(tǒng)先提鉀后提鋰工藝流程長(zhǎng)，各階段鋰夾帶損失大，因此鹽湖資源開發(fā)急切需要提高鋰收率。近年來，直接提鋰（Direct Lithium Extraction, DLE）技術(shù)因其高效、綠色環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，成為未來鹽湖鋰資源高效開發(fā)的重要發(fā)展方向。然而在實(shí)際鹽湖和后端沉鋰工藝中，Li+往往與極高濃度Na+共存，且Li+、Na+離子性質(zhì)相似，使得Li+/Na+分離成為直接提鋰過程中貫穿前處理與分離純化各環(huán)節(jié)的核心難題，也是當(dāng)前國(guó)際公認(rèn)的關(guān)鍵瓶頸。在離子分離工藝中，離子膜分離具有連續(xù)運(yùn)行和易于工程放大的優(yōu)勢(shì)，已成為有效離子分離技術(shù)。然而，受限于傳統(tǒng)膜材料的篩分設(shè)計(jì)，很難實(shí)現(xiàn)Li+/Na+分離，也無法解決Li+高通量傳輸?shù)耐瑫r(shí)對(duì)Na+的高選擇性抑制難題。
近日，中國(guó)科學(xué)院青海鹽湖研究所劉忠研究員團(tuán)隊(duì)在鋰鈉高效分離膜材料領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，該研究突破傳統(tǒng)“通量與選擇性難以兼顧”的膜分離瓶頸，創(chuàng)新性提出基于離子辨識(shí)吸附的“限域俘獲-躍遷（bind-jump）”機(jī)制：通過在共價(jià)有機(jī)框架（COF）膜通道中引入具有鋰親和性的雙酮分子（HTTA），構(gòu)建出疏水性識(shí)別腔體，在電場(chǎng)作用下優(yōu)先俘獲Li+，協(xié)同脫去部分水合殼層后沿通道躍遷；而Na+、K+因結(jié)合能力弱、遷移阻力大而被有效篩拒。該機(jī)制實(shí)現(xiàn)達(dá)143 mmol·m-2·h-1的Li+通量以及高達(dá)320的Li+/Na+選擇性，相較于未加載HTTA的COF膜，通量和選擇性分別有2.5倍和超100倍的同步提升，顯著緩解了長(zhǎng)期制約膜性能提升的“Trade-off”效應(yīng)。
更重要的是，該膜在國(guó)內(nèi)外真實(shí)鹽湖鹵水中表現(xiàn)出優(yōu)異的Li+富集能力：?jiǎn)渭?jí)電驅(qū)操作即可將Na+/Li+比降至原始值的約1/8，Li+選擇性和能耗遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有商業(yè)膜，顯示出極強(qiáng)的工程應(yīng)用潛力和推廣價(jià)值。本研究不僅為鹽湖直接提鋰提供了高效、低能耗的新技術(shù)路徑，也為精準(zhǔn)離子識(shí)別與分離材料的界面設(shè)計(jì)提供了全新思路。
相關(guān)成果以題為“Ion Trap Membrane with Confined Bind-Jump Strategy for High-Efficiency Direct Lithium Extraction”的論文發(fā)表在《Science Advances》期刊，碩士研究生杜亞倩為第一作者，雷達(dá)副研究員和劉忠研究員為通訊作者，青海鹽湖所為唯一通訊單位。
該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金（U20A20141、22304185、U23A20119）、青海省科技廳項(xiàng)目（2024-GX-120）、中國(guó)科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃（YSBR-039）、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（XDB1130301）和青海省昆侖英才計(jì)劃等項(xiàng)目的聯(lián)合資助。
論文鏈接：? https://www.science.org/doi/abs/10.1126/sciadv.aea5077
圖1：HTTAn-TpTapa/PAN膜的構(gòu)建及結(jié)構(gòu)表征
圖2：大尺寸離子分離膜實(shí)物照片（直徑可達(dá)23 cm）
圖3：離子“躍遷”傳輸動(dòng)力學(xué)分析及膜性能表現(xiàn)
審核：葛飛
