研究背景

全球对可持续清洁能源的需求激增，凸显了锂离子电池的关键作用。世界上超过60% 的锂储量来自大陆盐湖。纳滤（NF）技术因无需化学试剂、通量高和环境足迹小，成为从高MLR盐湖中有效分离Li⁺和共存的多价离子，特别是Mg²⁺的理想解决方案。通过将膜孔径优化在锂离子和镁离子的水合半径之间（2.38-4.28 Å），并缩小孔径分布，可提高锂镁分离选择性（S_Li,Mg）。通过减少膜的负电荷或增加正电荷，也可增强S_Li,Mg。具有纵向异质电荷分布的LBL自组装膜与Janus/双层膜在离子选择性方面表现突出。然而，LBL膜对进水化学成分敏感，Janus膜则需避免高浓度反离子屏蔽效应，并精确调控纳米通道尺寸和电荷分布。电荷镶嵌膜（CMMs）具有水平异质电荷分布，但其对离子选择性的影响尚待深入探究。

实验室硕士生郑瑞奇基于该研究背景，开发了具有相似孔径的纵向双电荷PLIP-C膜和横向电荷镶嵌CAIP-N膜。两种膜显著提高了水渗透性和离子选择性。通过综合表征和模型计算深入探究了性能提升背后的机制。此外，基于近十年通过压力驱动的NF分离Li/Mg的文献数据，采用机器学习（ML）方法阐明了膜性质对离子选择性的影响。研究结果揭示了异质膜电荷分布，特别是电荷镶嵌结构，在显著提高单价离子和多价离子间的选择性方面具有很大的潜力。这一工作已发表在Environmental Science & Technology（2024）。

第一作者：郑瑞奇

通讯作者：赵阳莹 副教授

通讯单位：厦门大学环境与生态学院

论文DOI：doi.org/10.1021/acs.est.4c08841

摘要如下

在盐湖锂提取过程中，纳滤技术在精确分离单价和多价离子（如Li⁺和Mg²⁺）方面具有巨大的潜力。这项研究在理解膜空间电荷分布对离子选择分离的影响方面填补了一个至关重要的空白。我们开发了两种类型的混合电荷膜，它们具有相似的孔径，但相反电荷域的纵向和横向分布不同。首次合成并用于离子分离的电荷镶嵌膜具有15.4 LMH/bar的优异渗透性和108的Li/Mg选择性，优于大多数已发表的数据。通过综合表征、数学建模和机器学习方法，我们提供了空间电荷分布主要决定离子选择性的证据。电荷镶嵌结构的优点是通过局部增强的Donnan效应大大提高了离子选择性，同时不受给水浓度变化的影响。我们的研究结果不仅证明了电荷镶嵌膜在精确纳滤中的适用性，而且对需要高级离子选择性的技术，包括可持续水处理和储能行业的技术，具有深远的意义。

图1 图文摘要

主要结论

（1）对于纵向双电荷PLIP-C膜，带正电的上层主要控制Li/Mg分离效率，而带负电的底层促进Li⁺输运，并部分保留Cl⁻，导致其在双层之间积聚，最终对上层产生屏蔽作用。

（2）对于横向电荷镶嵌CAIP-N膜，在允许Cl⁻通过的同时，带正电荷的MOF结构域通过尺寸排斥和局部增强的静电斥力表现出特殊的Li/Mg选择性。同时，具有轻微负电荷的PA结构域对Mg²⁺的弱静电吸引力被强大的尺寸排斥所掩盖，从而导致整体的高S_Li/Mg。

（3）ML分析结果阐明了膜性质对离子选择性的影响，强调膜空间电荷分布比平均表面电荷在控制离子分离效率方面的关键作用。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.est.4c08841