研究利用反向提锂机制实现高选择性的锂离子筛分

实现高选择性的锂离子筛分，对于解决锂资源短缺等难题具有重要意义。然而，由于锂离子与钠、钾、镁、钙离子等其他多种竞争离子在尺寸和价态等性质上相近，从高浓度溶液中精准提取锂离子面临挑战。尽管已有多种膜材料被开发用于实现锂离子的选择性透过，但其选择性远不能满足海水提锂的需求。

针对这一问题，中国科学院青岛生物能源与过程研究所研究员高军与青岛大学科研团队开展合作，研究开发出一种可精准截留锂，同时传输其他阳离子的膜材料。研究团队考虑到水中锂离子的迁移速率明显低于钾、钠等竞争离子，且具有最低的电迁移率，因此通过截留锂离子同时传导竞争离子的方式，从理论上能够实现更高的锂离子选择性筛分。

研究团队构筑了一种随机取向的共价有机框架（COF）基分离膜，该膜的孔径不利于锂离子透过，并且其表面磺酸基团不利于锂离子结合，从而实现了极高选择性的锂离子截留。该研究利用垂直排列的纳米片阵列作为基底，诱导COF的垂直取向生长，并通过与COF原生水平取向生长的竞争作用，诱导实现COF微晶区之间的无规取向排列。晶界的扭曲产生尺寸< 0.3 nm的极窄孔径，对锂离子传输形成极大的空间位阻。

进一步研究发现，磺酸基团可特异性提高钾、钠离子通量，但对锂离子的通量提升效果有限。综合分析表明，随机取向导致的极窄孔径与磺酸基团的协同效应是该COF基膜材料具有极高钾/锂、钠/锂选择性的内在原因。该膜在允许钾、钠离子以可观的通量跨膜输运的同时，可实现对锂离子完全的截留（低于电感耦合等离子质谱仪对锂离子的检测限）。

考虑到锂离子具有最低的电迁移率，研究团队在上述研究的基础上，进一步结合电渗析技术，通过调控电场强度实现钠、钾、镁、钙四种竞争离子的跨膜输运及锂离子的完全截留。实验证明，在电渗析条件下，钾、钠离子的通量随着电压的升高而逐渐增加，在3 V电压下达到10 mol h^-1 m^-2以上。当将电压提高到4.5 V时，多种竞争离子（钠、钾、镁、钙离子）高通量传输的同时，锂离子的通量却保持为零，实现了高选择性的锂离子筛分，并成功应用于真实盐湖卤水中锂离子的精准提取。该研究成果可为随机取向COF基膜材料的设计和应用提供新思路，并有望启发其他高值稀有元素的高效分离。

相关研究成果以Randomly oriented covalent organic framework membrane for selective Li⁺ sieving from other ions为题，发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等的支持。

论文链接

研究利用反向提锂机制实现高选择性的锂离子筛分