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09
2026
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03
JMS: 刚性Zr-MOF膜实现锂镁分离新突破
作者：
一、背景：盐湖提锂的“最后一道难关”
随着新能源产业快速发展，锂资源需求持续攀升。盐湖卤水因储量巨大、开采成本低，成为重要锂来源。然而，卤水中Mg²⁺含量往往远高于Li⁺（Mg/Li摩尔比常超过20），而两者的水合离子尺寸非常接近：Li⁺：≈ 3.8 Å，Mg²⁺：≈ 4.3 Å，这种“尺寸接近 + 高竞争浓度”的体系，使得传统分离方法（萃取、沉淀、吸附等）面临：选择性不足、工艺复杂、能耗高、环境负担重等问题。膜分离被认为是更具潜力的方案，但其关键在于：构建结构稳定、孔径**的离子传输通道。尽管MOF膜具备可调孔径和优异稳定性，但多数MOF采用柔性芳香配体，其旋转运动会引发“孔径呼吸效应”，导致：孔径瞬时放大、尺寸筛分失效、选择性下降、长期稳定性差。因此，如何抑制配体动态行为，构建几何稳定的纳米孔道，成为实现**锂镁分离的关键挑战。
二、创新：刚性双环配体锁定固定孔径
近日，扬州大学庞欢教授团队通过“刚性配体工程”构建了一种全新的 Zr-FTR（Frustrated Trigonal-symmetry Rotor）MOF膜，实现孔径几何稳定。核心创新包括：
1. 刚性双环配体设计
采用具有高扭转能垒的双环戊烷配体，其特点：分子构型刚性强、几乎无旋转自由度、抑制孔径动态波动。
2. **匹配孔径窗口
Zr-FTR框架形成固定孔径：孔径 ≈ 4.3 Å，恰位于Li⁺与Mg²⁺水合尺寸之间，实现真正的“尺寸排他性筛分”。
3. 缺陷自由界面生长
通过对扩散界面法在PET基底上制备连续致密膜层，保证：纳米通道连续性、晶体结构完整性、传输路径稳定。
最终膜性能表现为：
Li⁺通量：0.09 mol·m⁻²·h⁻¹
Li⁺/Mg²⁺选择性：235
连续运行7天性能无衰减
MD模拟进一步证实：Li⁺扩散系数显著高于Mg²⁺；刚性限域 + 脱水能差异协同调控离子传输。
三、意义：从“动态孔”到“刚性孔”的设计范式转变
该研究在离子筛分膜领域具有重要突破意义：
1. 破解MOF膜孔径波动难题
通过刚性配体锁定孔径，避免“gating效应”导致的选择性下降。
2. 实现真正的尺寸专一筛分
固定4.3 Å窗口，实现Li⁺优先透过、Mg²⁺有效阻隔。
3. 提供稳定耐久的盐湖提锂解决方案
在复杂多离子环境中长期稳定运行，具备实际应用潜力。
4. 建立“刚性限域–尺寸匹配–脱水能差”协同机制
为后续MOF膜设计提供系统理论指导。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/oWULtnpTCXM2I_UyfMGtLQ
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