高效直提锂离子的“锁跳”膜

本文介绍了一种面向盐湖提锂的新型高效分离技术。随着电动汽车和储能电池快速发展，全球锂需求猛增，而传统盐田法提锂效率低下——因锂与钠、钾等离子性质相似，难以分离，导致超过50%的锂在蒸发、沉淀过程中损失。针对这一难题，研究团队设计出一种基于共价有机框架（COF）的‘离子捕获膜’，其核心是在纳米级孔道中精准嵌入亲锂且疏水的双酮分子HTTA（2-噻吩甲酰三氟丙酮）。该膜工作时分两步：首先，HTTA位点选择性地与部分脱水的锂离子结合（‘结合’步），大幅提高锂离子截留率；随后，在外加电场驱动下，锂离子在相邻HTTA位点间快速‘跳跃’迁移，而钠、钾离子因结合弱、脱水难、迁移慢，被有效阻滞。实验证明，优化后的HTTA1-TpTapa/PAN膜在电渗析条件下，锂离子通量达约143毫摩尔/平方米·小时，锂钠选择性高达320以上（即每320个锂离子通过时，仅约1个钠离子漏过），远优于当前商用膜；且经10次循环使用后性能仍保持稳定。进一步机理研究表明：热力学上，HTTA对部分脱水的锂离子（如Li⁺(H₂O)₂）结合能最强；动力学上，锂离子在通道内的跃迁活化能最低（仅6.86 kcal/mol），扩散速度最快。分子动力学模拟也证实，5纳秒内通过膜的锂离子数量（224个）是钠离子（32个）的7倍以上。该技术不仅在真实玻利维亚科伊帕萨盐湖卤水中成功将钠锂比降低8–9倍、钾锂比降低6–14倍，还具备溶液法制备、易于放大的工艺优势，为复杂卤水体系中的高选择性离子分离提供了新范式。