电场辅助离子控制构建超高效锂选择性膜及其在锂资源回收中的应用

研究人员针对锂资源回收中Li+/Mg2+选择性分离效率低的问题，通过电场辅助组装策略构建了离子化ZIF框架复合膜（Q-PEI@ZIF#CEM）。该膜在电渗析中实现了Li+渗透速率0.30 mol·m?2·h?1和Li+/Mg2+选择性高达20,000，锂产品纯度达99.99%，突破了传统膜材料的渗透-选择性平衡难题。

　　

锂作为新能源和电子产业的核心资源，其回收效率直接影响可持续发展。然而，从含Mg²⁺、Na⁺等干扰离子的水体系中选择性提取Li⁺面临巨大挑战——传统膜材料受限于渗透率-选择性权衡效应，且对相似水合半径的Li⁺（3.82 ?）和Mg²⁺（4.28 ?）分离效率不足。针对这一难题，国内某研究机构的研究人员受生物离子通道启发，创新性地提出电场辅助离子控制策略，通过聚乙撑亚胺（PEI）原位限域转化和2,3-环氧丙基三甲基氯化铵（ETAC）季铵化，在商用阳离子交换膜（CEM）表面构建了离子化ZIF框架层（Q-PEI@ZIF#CEM），相关成果发表在《SCIENCE ADVANCES》。

研究团队采用扫描电镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）和原子力显微镜（AFM）表征膜结构，通过电渗析实验评估离子选择性，并结合密度泛函理论（DFT）计算阐明机制。关键创新在于利用交替电场驱动Li⁺定向调控ETAC在PEI@ZIF中的组装，形成具有精确几何筛分和化学亲和性的通道。

结果部分

INTRODUCTION

研究指出当前MOF基膜因缺乏离子交换位点和结构缺陷导致效率低下，而混合MOF-聚合物膜虽改善加工性，但晶体堆叠问题仍限制性能。

RESULTS

1. 材料表征：Q(5%)-PEI(1.0)@ZIF#CEM表面呈现4 μm均匀层（SEM），XPS显示季铵化使N 1s含量从16.1%增至18.2%。DFT证实Li⁺与框架的吸附能（-2.23 eV）远超Mg²⁺（-0.74 eV）。

2. 离子选择性：电渗析中离子渗透顺序为K⁺≈Li⁺>Na⁺>>Mg²⁺≈Ca²⁺，25 mM Li⁺/Mg²⁺混合液分离因子达20,000，Li⁺纯度99.99%。

3. 机制解析：协同效应包括：（1）尺寸筛分（HK法测得孔径14.6 ?）；（2）静电排斥（Zeta电位+1.9 mV）；（3）Li⁺特异性结合（Bader电荷转移0.44 [q]）。

DISCUSSION

该研究突破性地将电场调控与MOF结构设计结合，解决了Li⁺渗透率（0.50 mol·m^?2·h^?1）与选择性的矛盾。相比传统电渗析（选择性0.99）和纳米过滤技术，新膜材料性能提升4个数量级，为盐湖提锂等实际应用提供新思路。

结论与展望

研究证实电场辅助组装策略可精确调控MOF通道的化学微环境，未来可通过优化PEI交联度和电场参数进一步拓展至其他稀缺金属回收领域。该工作为开发下一代离子选择性膜提供了理论和实验基础。