青島能源所構筑仿生氮化碳膜實(shí)現高選擇性的鋰鎂分離
鋰享有“21世紀能源金屬”的美譽(yù),在能源領(lǐng)域發(fā)揮著(zhù)不可替代的作用,我國鋰資源豐富,但80%的可開(kāi)采鋰儲存于鹽湖,因此鹽湖提鋰逐漸成為保障我國鋰資源安全的重要課題??紤]到我國鹽湖中鎂鋰離子比例達數百,而二者水合直徑差異卻極?。s1 ?),構筑連續無(wú)缺陷的高品質(zhì)篩分膜是提鋰應用的難點(diǎn)。
自然界中,生物離子通道能夠保證特定離子的高選擇性跨膜轉運。高選擇性的關(guān)鍵包括可以區分二價(jià)離子的窄孔徑、孔道內能誘導離子無(wú)能壘傳輸的電負性結合位點(diǎn);此外,離子通道和脂質(zhì)支撐層之間高度相容的界面也十分重要,二者骨架結構的相似性保證了離子在通道中的高效穩定轉運。受生物離子通道啟發(fā),青島能源所仿生能源界面技術(shù)研究中心劉健研究員和高軍研究員基于結晶和無(wú)定形同源氮化碳材料,構筑了具有埃級尺寸通道的仿生氮化碳膜,實(shí)現了高選擇性的鋰鎂分離。該研究成果以“Congener-welded crystalline carbon nitride membrane for robust and highly selective Li/Mg separation”發(fā)表于國際期刊Science Advances上。
研究團隊制備了具有埃級孔的結晶型氮化碳(聚三嗪酰亞胺),經(jīng)超聲剝離、真空抽濾得到結晶氮化碳納米片膜,進(jìn)一步利用“congener welding”策略在其表面沉積無(wú)定形氮化碳,得到界面接觸緊密且相容性高的晶體/聚合物復合膜。得益于聚三嗪酰亞胺均勻、窄的孔隙以及孔道內豐富的離子結合位點(diǎn),復合膜在鋰鎂分離中表現出色,可從高濃度Mg2+(1.0 M)中篩出極低濃度的Li+(0.002 M),選擇比達1708。該工作為設計新型鋰鎂分離膜提供了新思路,為實(shí)現從高鎂鋰比鹽湖高效穩定提鋰提出了可行方案。
圖1?生物離子通道啟發(fā)的PTI/PCN復合膜的構筑及離子篩分行為研究
文章第一作者為青島能源所博士后張媛媛和蘇州大學(xué)周柯副教授。通訊作者為劉健和高軍。第一通訊單位為青島能源所,第二通訊單位為青島科技大學(xué)。工作獲得了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、山東省自然科學(xué)重大基礎研究項目、山東省自然科學(xué)杰出青年基金、泰山學(xué)者計劃等項目的支持。(文/圖?張媛媛)
Yuanyuan Zhang1,2?, Ke Zhou3?, Shigang Su2, Jun Gao1,*, Jian Liu1,2,* & Lei Jiang4. Congener-welded crystalline carbon nitride membrane for robust and highly selective Li/Mg separation. Science Advances, 2024, 10, eadm9620.
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