综述：黏土重新构想：页硅酸盐作为未来膜技术

本综述系统阐述了天然页硅酸盐（phyllosilicates）作为二维（2D）材料在先进膜技术中的前沿应用。文章重点探讨了其独特的层状结构、可调控的纳米通道（interlayer spacing）及表面功能化策略在离子分离（如Li+/Mg2+选择性）、水处理（如纳米过滤nanofiltration）、能源转换（如渗透能osmotic energy）及催化等领域的巨大潜力，突出其低成本、环境友好和优异稳定性（如水稳定性water stability）优势，为下一代高性能分离膜的设计提供了创新方向。

　　

1 引言

化学分离过程是全球能源消耗的重要组成部分，约占10-15%的总能耗，其中依赖热过程的分离技术（如蒸馏）占据了约80%的能源成本。膜基技术作为一种更节能的替代方案，有望将分离过程的能源强度降低约90%，从而减少全球能源消耗的7-11%，并提升能源安全性。膜技术已广泛应用于反渗透（RO）、废水处理、电池系统、气体分离、有机溶剂纳滤以及膜基燃料电池和电解槽等领域。

膜技术在关键金属回收等新兴分离应用中也显示出独特优势。锂、镁和多种过渡金属等关键金属在能源技术中需求旺盛，但供应有限且回收率低。从盐水、废水或海水中回收这些高价值金属是提高能源安全和效率的重要途径。然而，关键金属阳离子通常以低浓度与其他离子共存，无法通过热分离有效回收。而能够实现精确尺寸或电荷分离的膜技术则非常适合这些资源的回收。传统的聚合物膜难以实现这种精度。

二维材料作为一类由原子级厚度层组成的晶体材料，近年来作为分离膜的潜在材料受到关注。二维材料可以被剥离（或蚀刻）并重新堆叠成层状膜，其层间空间在0.3-1纳米范围内，这些纳米通道使二维材料成为纳滤（分离约0.2-10纳米直径的溶质）的理想候选材料。纳米过滤膜已由多种二维材料制备而成，包括石墨烯及其衍生物、MXenes、过渡金属二硫属化物以及新兴的页硅酸盐。

在众多二维材料体系中，页硅酸盐占据了一个特别有趣的位置。作为天然丰富的粘土矿物，它们在成本、可获得性和化学多功能性方面具有显著优势。本综述将页硅酸盐矿物作为层状膜的二维构建模块进行探讨，讨论其制备策略、在分离和能源应用中的最新进展以及未来研究的机会。

1.1 页硅酸盐矿物

页硅酸盐是最常见的粘土矿物类型。粘土矿物由细颗粒（通常上限为2至4微米）组成，在适当含水量下具有可塑性，但在干燥或煅烧后硬化。粘土矿物通过硅酸盐岩石的风化等自然过程形成，存在于土壤、海洋和大陆沉积物、火山沉积物和地热田等多种来源。由于其广泛的自然存在，几乎世界每个地区都有大量的页硅酸盐矿床，包括北美、南美、非洲和亚洲。

正如其名称所示（来自希腊语phyllon，意为叶子），页硅酸盐具有片状结构，由四面体和八面体层形成的不均匀边缘构成。页硅酸盐的丰富性和环境兼容性，结合其结构特性，在膜开发中提供了相对于合成二维范德华层状材料在成本和可扩展性方面的显著优势。生产合成二维材料通常需要昂贵的先驱体、严格的环境控制以及高温和/或高压合成方法（如化学气相沉积）。相比之下，天然页硅酸盐价格低廉、储量丰富，且只需要相对简单和低能耗的加工方法，从而降低了生产成本。表1比较了用于膜技术的主要现有二维材料类型及其性能，突出了页硅酸盐基膜的优势。

除了经济优势外，页硅酸盐矿物还具有环境影响小的好处。聚合物膜通常成本效益高且易于制备，但其生产会产生不良排放。利用天然衍生的页硅酸盐可以使膜技术大幅减少环境足迹，同时提升膜的性能和特性。

1.2 粘土研究历史

粘土材料自史前时代起就作为建筑材料对人类文明至关重要。现代粘土研究已活跃了约100年；随着20世纪初在北美和欧洲发现膨润土，研究进程加快。早期粘土科学家发现粘土矿物是结晶性的且可以脱水。从1920年代到1940年代，科学家使用X射线衍射和电子显微镜等工具揭示了高岭石、云母和蒙脱石等粘土矿物的结构。1950年代到1970年代，粘土科学在工业规模上得到应用，出现了用于有机反应和催化裂化的粘土基催化剂。20世纪末，许多新的粘土材料（如柱撑粘土矿物、改性粘土和层状双氢氧化物）被开发出来，用于环境、医疗和电化学应用。

尽管粘土研究有着悠久的历史，但粘土矿物被剥离成二维层并组装成膜的能力仅在近年来才被探索。在过去的十年中，通过剥离页硅酸盐矿物（如蒙脱石、高岭石和蛭石）合成了几种类型的二维粘土纳米片。虽然粘土纳米片很快被应用于膜科学，但早期研究仅将二维页硅酸盐用作混合基质膜中的填料或次要组分。最近，页硅酸盐纳米片已被直接用于制造层状（分层）膜以进行分子尺度分离，有时还使用交联剂。二维页硅酸盐由于其许多优势特性（如丰富性、稳定性和可调控的传输通道）继续迅速引起作为潜在膜材料的兴趣。

2 传输通道的可调性

2.1 页硅酸盐的固有特性

页硅酸盐的一般结构由堆叠的层组成，这些层包括四面体片（由硅与氧以四面体配位形成）和八面体片（由金属阳离子如Mg、Al或Fe与氧或羟基八面体配位组成）。在1:1页硅酸盐（如高岭石）中，每层由一个四面体和一个八面体片组成。相比之下，2:1页硅酸盐（如蒙皂石、蛭石和云母）有一个八面体片夹在两个四面体片之间。在其地质形成过程中，四面体和八面体片中普遍发生同晶置换，其中中心阳离子被较低价态的阳离子取代。这种置换产生净负表面电荷，通过层间阳离子平衡以保持电荷中性和结构稳定性。层电荷是影响页硅酸盐许多物理化学特性的基本性质，其大小和分布因矿物类型和置换位置而异。例如，蒙皂石和蛭石表现出相对较低的层电荷，导致层间结合较弱，这使得水能够渗透并使层膨胀，促进阳离子水化和交换，从而具有高阳离子交换容量（CEC）。相比之下，云母具有较高的层电荷，产生强烈的层间相互作用，其层间阳离子被紧密保持，通常脱水且不易交换，从而抑制膨胀并使其CEC几乎为零。

与其他二维材料类似，页硅酸盐可以被剥离并重新堆叠形成二维层状膜，其中层间通道作为传输路径，可以调整以实现选择性离子或分子传输。二维层内的传输可以分为面内传输和面外传输。虽然面内传输已在纳米流体器件中被探索以利用页硅酸盐层间通道的选择性，但实际的膜分离通常沿面外方向操作。这种方向利用了固有的曲折传输路径，通过防止膜缺陷形成连续的渗透通道来增强缺陷容忍度。具有可交换层间阳离子的页硅酸盐（如蒙皂石和蛭石）特别适合膜制备，因为它们易于剥离。这通常通过液相剥离实现，其中层间阳离子被较大的阳离子取代以削弱静电相互作用，随后通过 agitation（如超声处理）将层剥离成单独的薄片。尽管更具挑战性，甚至非膨胀性页硅酸盐（如云母和高岭石）也可以被剥离并制成膜。这些系统中的成功剥离通常依赖于减少层间结合的策略，如表面功能化或层电荷修饰。

2.2 修改页硅酸盐膜以实现选择性传输

由二维材料构建的膜由于其层间通道的高度可调性，在选择性离子或分子传输方面具有巨大潜力。在二维层状膜中，选择性来源于Donnan排斥、基于尺寸的筛分和特异性结合相互作用的组合。Donnan排斥由固定表面电荷驱动，能够优先传输反离子同时排除共离子，使其特别适用于分离不同价态的离子。在关键矿物回收应用中，带正电荷的膜更受青睐以区分不同价态的阳离子。对于具有相似电荷和价态的离子，尺寸排阻变得至关重要。这种机制依赖于设计亚纳米传输路径，其中部分脱水离子在受限层间引入空间位阻和水化能垒的复杂相互作用。除了电荷和尺寸，化学亲和性提供了额外的可调性。功能基团如羧基（─COOH）、胺基（─NH₂）和巯基（─SH）可以通过配位或络合与目标离子选择性相互作用——例如，─COOH基团对铅离子显示出强亲和性——为通过定制界面化学增强选择性提供了机会。

为了实现页硅酸盐膜中的目标离子选择性，首先需要解决其在水环境中的稳定性问题。由于其弱层间相互作用和表面羟基的亲水性，页硅酸盐膜在水中容易解体——这一特性也促进了其易于剥离。因此，在膜制备过程中或之后增强层间结合是提高水稳定性的关键。这可以通过几种策略实现：i) 静电相互作用，通过交联或插层带正电的物种（如多价阳离子）、小分子（如二胺）或聚合物（如聚乙烯亚胺，PEI）；ii) 共价键合，如柱撑粘土，其中刚性金属氧化物柱被引入与页硅酸盐薄片形成直接键合，有效抑制膨胀并锁定层间间距——这种方法最近被适用于膜制备；以及 iii) 外部限制，其中膜用硅酮或环氧树脂等材料物理密封以防止分层，这一策略先前也在氧化石墨烯（GO）膜中得到演示。这些稳定策略可以使页硅酸盐膜具有与其他类型二维材料相当或更优的水稳定性。

一旦稳定，传输通道可以进一步为特定分离机制进行定制。页硅酸盐膜原本带有负表面电荷。为了通过Donnan排斥分离阳离子以进行关键资源回收，页硅酸盐膜的表面电荷可以通过将带正电的物种（如PEI）插层到层间来调节，或通过晶格掺杂降低固有层电荷（如锂掺杂白云母）。在某些情况下，组合策略——减少原始电荷同时引入额外电荷——已被证明有效，如在掺杂柱撑粘土膜系统中所示。

对于尺寸排阻，有两种方法可以创建限制。层间间距可以通过引入不同尺寸的分子交联剂或间隔物来调节。虽然通过小分子直接交联以实现亚纳米通道在页硅酸盐系统中尚未实现，但在基于其他二维材料（如硫脲交联氧化石墨烯（GO））的层状膜中的相关工作可以提供有价值的设计见解。或者，在纳米通道内插层大体积物种（如聚合物）可以通过占据自由体积来减小有效通道尺寸，尽管通常以渗透性为代价。

最后，化学亲和性基的选择性可以通过插层功能化聚合物（如带有磺酸基团的磺化聚乙烯醇（SPVA））或通过页硅酸盐薄片的表面功能化引入。表面功能化可以通过静电插层小分子实现——一种在有机粘土中常用的方法——或通过针对表面羟基的硅烷化反应实现。这些策略共同为工程化具有可调传输特性的页硅酸盐膜提供了一个多功能平台，适用于复杂的离子分离。

3 页硅酸盐膜的最新研究进展与新兴应用

3.1 资源回收

二维层状膜对关键资源回收应用特别有吸引力。在关键矿物中，从各种水源（如废水和盐湖卤水）中回收锂尤为重要，因为水体是最大的锂储备库，且由于电动汽车市场的增长，需求激增。然而，从水环境中提取锂具有挑战性，因为存在共存离子，特别是钠和镁，通常浓度更高。因此，膜基锂提取专注于实现与这些竞争离子的选择性分离，每种分离需要不同的机制。例如，带正电荷的膜可以通过Donnan排斥将二价镁离子与一价锂离子分离。聚乙烯亚胺（PEI）插层蒙脱石膜通过PEI插层引入正表面电荷，展示了增强的Li/Mg选择性。相反，分离锂和钠——两者都是一价阳离子——需要精确控制通道尺寸和化学亲和性。例如，氧化铝柱撑蛭石膜在掺杂后表现出减小的孔径，通过阻碍较大钠离子的传输改善了Li/Na分离。此外，SPVA插层蛭石膜显示出增强的Li/Na选择性，归因于锂离子与磺酸基团更强的结合亲和性。通过合理设计和工程化传输路径，页硅酸盐膜有望用于选择性回收其他关键和战略材料，包括营养素和稀土元素（REEs）。

3.2 水净化

膜技术日益应用于水净化，以解决全球水资源短缺和对抗污染。膜基水净化的紧迫研究目标包括实现高选择性和抗污染性。此外，水净化膜必须满足许多基本要求，如在水中的长期稳定性、抗化学/热降解能力，以及对毒素、重金属和有机废物的高截留率。

二维材料基膜由于其亚纳米孔/通道尺寸，可以通过尺寸排阻去除许多污染物并实现高选择性，因此对水净化具有吸引力。它们还具有良好的化学和热稳定性。至今，包括氧化石墨烯、过渡金属二硫属化物和MXenes在内的二维材料已被研究用于水净化应用。

最近，页硅酸盐膜也加入了用于水净化的二维材料基膜库。例如，钴功能化蛭石膜显示出高水渗透性，并能通过氧化降解多种有机污染物。此外，铁页硅酸盐已被用作膜中的催化剂，以降解模拟废水中的染料和有机溶质。页硅酸盐膜还可能克服其他二维材料面临的挑战，如在水中的稳定性差或化学功能化困难。交联蛭石膜表现出强大的水稳定性，这在其他类别的二维材料基膜中很少报道，并且页硅酸盐由于其精细可调的层间间距和多种功能化模式，具有卓越选择性的潜力。

3.3 气体分离应用

膜用于气体分离已有45年以上的历史。工业气体分离膜通常由多孔支撑体上的薄（<1 μm）选择性层组成，以提供机械强度。由于这一要求，气体分离膜材料必须能够加工成大面积薄膜。气体分离膜的研究目标与水性分离膜类似，如提高选择性、渗透性和抗污染性。几种二维材料，包括氧化石墨烯、过渡金属二硫属化物和MXenes，最近已被应用于气体分离膜。

页硅酸盐膜用于气体分离可能会改进现有技术，因为其低成本、稳定性和多种可能的插层剂（可调层间间距）。一些初步努力已经用于页硅酸盐-聚合物复合膜（例如，蒙脱石/聚二甲基硅氧烷和层状AMH-3硅酸盐/醋酸纤维素复合材料）用于CO₂/CH₄分离。此外，聚乙烯亚胺已被用作原始蛭石膜中的插层剂，产生高渗透性和CO₂/CH₄选择性。然而，页硅酸盐基气体分离膜的研究空间仍然开放。主要研究空白包括将这些膜应用于碳捕获以外的其他分离，研究各种连接剂对干膜性能和气体选择性的影响，以及将页硅酸盐膜放大到工业气体分离模块。

3.4 能源转换应用

除了在资源回收和水净化等直接分离应用中的关键作用外，页硅酸盐基膜由于其选择性传输、热稳定性、结构可调性和环境优势，可以在能源转换技术中提供替代方法。例如，页硅酸盐的选择性离子传输特性可以用于渗透能量转换，其中盐水和淡水混合时释放的混合能量被捕获以供有益使用。随着能源需求增长和传统资源面临限制，“蓝色能源”系统等替代方案日益受到关注。用于渗透能量收集的传统膜面临挑战，如由于其有限的水和离子传输能力而导致低功率密度。使用由单层二维材料（如石墨烯和MoS₂）制成的离子选择性纳米多孔膜的基础研究已证明非常有效的渗透发电，单通道MoS₂膜的功率密度异常高达10⁶ W m^?2。

由二维纳米片制成的层状膜为大面积膜制备提供了可扩展性，同时仍具有均匀且连续的纳米级孔/通道。各种二维材料已被制成用于渗透发电的层状膜，包括氧化石墨烯、MoS₂、MXene和页硅酸盐基膜。高岭石膜有效地以与氧化石墨烯膜竞争的速率产生渗透能，最大输出功率密度为0.18 W m^?2。蒙脱石膜也报道了类似的渗透功率密度。最近，含有页硅酸盐矿物的复合膜也显示出有前途的渗透发电能力。然而，迫切需要更深入地了解页硅酸盐膜的组成、结构和离子传输之间的关系，以进一步改进膜设计，并充分利用天然页硅酸盐矿物库进行高效的渗透能应用。

水蒸发是一个普遍的过程，也可以通过转换环境中的热能来发电。二维层状膜由于其带电表面促进电动效应和层间空间允许 electric double layer 重叠，是水伏打能量收集的有前途的材料。当受限水流经直径小于水德拜长度的纳米通道时，连续的毛细管驱动运动导致流动电位和持续功率输出。一项开创性的研究使用炭黑表明，厘米大小的膜可以在环境蒸发下产生高达1 V的稳定电压和53 nW的峰值功率。此后，各种二维材料包括层状双氢氧化物、二维AlOOH、MXene和MoS₂已被制成用于水蒸发基发电的层状膜。最近，页硅酸盐（蛭石）膜也实现了1 V的稳定电压，以及具有蛭石和埃洛石纳米管的异质结构膜证明了两种天然粘土的组合使用，产生高达406 mV的开路电位。然而，页硅酸盐膜仍然是一个 largely underexplored 资源；目前需要进一步研究利用页硅酸盐矿物的丰富多样性用于高效、可扩展和可持续的水伏打器件。

3.5 催化应用

由于其高比表面积、可调层间特性和 robust 结构及热稳定性，页硅酸盐已被广泛探索作为催化平台。虽然原始页硅酸盐通常是催化惰性的，但将活性物种纳入其结构 enables 广泛的催化应用。这些包括酸/碱驱动的有机转化、析氢反应（HER）、析氧反应（OER）、CO₂还原和水分解，其中受限层间空间可以作为微反应器。合成和天然页硅酸盐都已用于这些角色。例如，具有催化活性过渡金属阳离子（如Fe、Ni、Co、Cu）在八面体层中的合成页硅酸盐可以通过水热条件下的共沉淀制备，产生具有优异催化性能和热稳定性的材料。

利用天然页硅酸盐作为催化载体提供了一个更具成本效益的替代方案。一个显著的例子是K10，一种酸活化蒙脱石，已商业化用于酸催化反应，如酯化和C─C键断裂。另一主要类别涉及柱撑粘土，其中催化活性金属氧化物柱（如Al₂O₃、ZrO₂、TiO₂）被插入页硅酸盐层之间。这些柱扩大了层间间距，增强了抗膨胀的结构稳定性，并引入了额外的催化功能——如来自TiO₂柱的光催化。将催化活性页硅酸盐材料集成到膜中 presents 新的机会，以在受限架构中耦合膜传输与催化反应过程。

4 未来展望

4.1 使用页硅酸盐矿物的膜技术未来创新

完全无机的页硅酸盐膜为有机溶剂纳滤（OSN）应用提供了显著的潜在优势。传统的聚合物膜通常在苛刻的有机溶剂中化学稳定性差。例如，传统聚合物如纤维素、尼龙和PVDF在极性非质子溶剂如N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和二甲基亚砜（DMSO）中容易溶解或膨胀。相比之下，页硅酸盐膜由于其完全无机的层状结构，即使在 aggressive 溶剂条件下也提供 exceptional 稳定性和抗化学攻击能力。此外，它们相比传统陶瓷膜具有预期的成本优势，传统陶瓷膜虽然高度稳定，但由于需要高温加工，通常制造成本高昂。例如，商业氧化铝陶瓷膜的价格通常在每平方米500至1000美元之间。相比之下，页硅酸盐原材料成本可忽略不计。例如，蒙脱石在商品市场上的平均价格仅为每吨97美元，并且需要在温和条件下进行最少的加工以进行膜制备。

除了在OSN中的潜在应用外，页硅酸盐膜的另一个有趣方面是探索其内在选择性。不同程度的同晶置换可能导致同一页硅酸盐内不同的层电荷密度。此外，不同的页硅酸盐类型天然具有 distinct 层间阳离子，这可以进一步影响分子传输和分离行为。例如，镁离子主要占据蛭石的层间空间，而钠和钙离子在蒙脱石中更常见。即使在材料重建后，这种特定的阳离子亲和性也被观察到，表明与表面结构特征（如硅氧烷环的化学和几何形状，在层内产生空腔）有强烈联系。重要的是，大量页硅酸盐矿物及其在分子传输中的 distinct 特性只是膜组成的第一个构建块。改变膜厚度并使用不同的交联剂、掺杂剂和表面功能化分子 each add another layer of parameter space 以进一步微调传输特性。通过有效探索页硅酸盐膜的高维化学和结构空间，可以实现成本效益高、高度特异和可定制的“设计器膜”生产， tailored for specific applications。高通量自动化实验 combined with 机器学习将有助于 navigate 这一 vast 设计空间，以加速下一代页硅酸盐基膜的开发。新兴方法如逆向设计，其中 desired 膜特性指导特定矿物化学和制造参数的选择，可以进一步简化按需生产 precisely tailored for specific applications 的膜。

另一个新兴的研究方向是将页硅酸盐与其他二维材料集成以实现协同特性。MXenes是一个可能受益于集成到页硅酸盐杂化膜中的二维材料家族。原始MXene膜具有许多 desirable 特性，包括对 several ion separations（包括去除重金属和大分子）的良好选择性、优异的导电性、高机械强度，以及据报道由于光热效应在阳光下的性能增强。然而，它们由于水解和氧化而存在长期稳定性问题，并且MXene纳米通道在存在水时容易膨胀，可能限制分离有效性。使用页硅酸盐和MXene薄片（以及交联剂）制造的杂化膜可以利用MXene的导电性和机械优势，同时保留页硅酸盐的水稳定性和良好控制的层间间距。包含其他二维材料的杂化页硅酸盐膜也很有吸引力。例如，页硅酸盐可以受益于氧化石墨烯的高水渗透性和一价盐截留能力，或过渡金属二硫属化物适用于功能化和孔径工程。任何类型的二维材料基杂化膜也将受益于页硅酸盐的低成本和环境兼容性。

4.2 页硅酸盐膜当前面临的挑战

尽管在过去十年中取得了重大进展，但在具有多样化基团库的页硅酸盐膜中实现稳定且可调的表面化学仍然是一个挑战。与其他非膨胀二维材料相比，没有交联剂的页硅酸盐膜通常由于亲水表面和弱层间结合而表现出差的水稳定性。因此，通常用于调节其他二维材料中膜传输特性的表面功能化策略不一定导致页硅酸盐膜中稳定通道的形成。至今，大多数修改页硅酸盐二维层间空间的策略依赖于通过范德华或静电相互作用进行插层，如有机粘土中常见的那样。然而，这些方法通常无法消除膨胀行为，并可能显著降低渗透通量。尽管硅烷化已广泛应用于硅酸盐表面的功能化，但页硅酸盐中的大多数羟基位于薄片边缘或不可及的基面下方，导致功能化密度有限。因此，未来的工作应专注于探索新的化学或机制，以实现页硅酸盐表面的稳定和直接功能化，提高结构稳定性和化学亲和性，以增强膜的选择性、寿命和整体性能。

此外，与许多其他二维材料类似，页硅酸盐由于有限的柔韧性和层状结构，往往比聚合物更脆，使其在应力下更容易断裂。未来的研究可以通过探索替代分离驱动力来解决这一限制，如电渗析，其施加较低的机械应力，或通过开发复合膜，将页硅酸盐的分子/离子选择性与增强的机械鲁棒性相结合。

页硅酸盐膜的另一个挑战是原材料纯度。天然来源的矿物通常含有污染物或外来材料，这给膜系统引入了显著的复杂性，并增加了批次间的 variation。为了质量控制和可重复性，需要更多努力开发可扩展且成本效益高的纯化方法。常见的纯化过程包括两个主要步骤：i) 通过物理或化学处理去除不需要的组分，如碳酸盐的分解，和 ii) 基于沉降的分级以消除可能被困在未剥离页硅酸盐聚集体中的粗杂质。虽然完整的纯化过程可能耗时，但可以开发针对特定页硅酸盐类型的标准化纯化协议，以在工业规模上执行高效富集过程。例如，对于来自地质来源（如膨润土或高岭土）的页硅酸盐，可能不需要有机污染物的氧化处理，这些页硅酸盐通常含有最少的有机材料。或者，膜设计策略可以 incorporate 对源材料纯度变化的更高容忍度，在不影响膜性能的情况下减少对严格纯化的需求。例如，可以使用混合策略将来自多个来源的材料混合以减少批次间 variability。可以使用高质量来源的缓冲库存或通过水热合成生产的高纯度合成页硅酸盐进行混合。

演示放大加工和制造对于评估这些材料的技术可行性至关重要。传统的制造策略，包括真空过滤，本质上是低通量的，通常需要处理大液体体积。应进一步探索前体配方和工艺优化，用于更可扩展和高通量的制造技术，如浸涂、刮刀涂布和狭缝涂布，以提高页硅酸盐膜在放大生产中的均匀性和可重复性。开发高通量自动化膜测试平台，可能与机器学习相结合，也是一个有吸引力的策略，用于加速探索页硅酸盐膜的复杂组成/结构设计空间。

此外，放大开发必须超越小的平板形式，以将页硅酸盐膜从实验室研究过渡到实际应用。模块规模制造将 necessary 以将页硅酸盐膜集成到商业可行的系统中。大面积和高速溶液涂布技术，如浸涂、狭缝涂布和喷涂，与卷对卷（R2R）制造系统兼容。在R2R加工中，薄膜结构连续沉积到以恒定速度在旋转辊之间移动的柔性基材上。在早期放大努力中开发的涂布方法可以与R2R系统内的额外制造步骤（如干燥和退火）集成。这种从批处理到连续制造的转变使页硅酸盐膜能够以移动卷形式生产，大幅提高生产速度和可扩展性，适用于工业规模生产。未来的研究还应调查受益于页硅酸盐低成本的运营模型。例如，膜可以定期更换以保持最佳性能，而不需要广泛的再生过程；页硅酸盐膜的回收和废物处理协议是另一个潜在的研究重点。

4.3 页硅酸盐膜与新兴技术的集成

页硅酸盐膜作为多功能组件在广泛的新兴技术中具有巨大潜力。例如，页硅酸盐层压材料已被调整用于下一代能量存储技术中的各种关键角色。具体来说，页硅酸盐作为锂离子电池电极中替代锂宿主越来越受到关注。它们的亲水表面和低锂离子扩散能垒，结合可调层间间距，提供高比表面积并支持快速Li⁺传输。各种页硅酸盐矿物，如蒙脱石、蛭石和皂石，已被制成层状膜，即使在具有挑战性的条件（如高硫含量）下也表现出有前途的Li⁺传输性能。

此外，页硅酸盐的离子选择性路径使其能够用作锂硫电池中的隔膜。页硅酸盐膜的表面电荷有助于阻碍多硫化物在电极之间的扩散，同时促进快速Li传输。在蛭石和蒙脱石膜中观察到的高面内质子