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20
2026
-
05
Angew: 深度脱水锁定层间结构，实现锂分离
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背景
二维层状膜因其易于组装、层间距可调以及丰富的表面化学，被认为是实现离子筛分的理想平台。然而，其在实际水体系中的应用长期受限于一个关键问题： 遇水膨胀，选择性失效。在水环境中，层间水化作用与同电荷片层之间的排斥会导致层间距扩大，甚至引发结构破坏，使原本的筛分通道失去控制。传统通过多价离子交联来抑制膨胀的策略，虽然能够增强层间作用力，但往往因离子强水化效应反而诱发再次膨胀，难以从根本上解决问题。因此，如何在水环境中稳定维持亚纳米通道，成为二维膜实现离子分离的核心挑战。
创新
近日，中国科学院青岛生物能源与过程所高军研究员团队提出一种“深度脱水策略”，通过从根本上削弱水化作用来稳定层状结构。具体而言，首先引入低水化能的碱金属离子（如Cs⁺）进入层间，然后在高温条件下彻底去除层间自由水与结合水，使层间通道在范德华力与静电作用下自然收缩至一个“抗膨胀临界尺度”。在这一尺度下，吸引作用显著增强，而再水化在能量上变得不利，从而实现结构的长期稳定。这种“先嵌入、再脱水”的过程不仅锁定了层间结构，还带来了新的传输机制：被限域的离子占据*低能量位点，避免形成传输陷阱，同时降低单价离子的迁移能垒，而对水合更强、尺寸更大的二价离子形成更强阻碍。由此，膜在*窄通道（自由间距约1.5–2.5 Å）下仍实现高达148的Li⁺/Mg²⁺选择性，同时保持较高的Li⁺通量（0.65 mol m⁻² h⁻¹）。更重要的是，该膜在水中长期运行（30天）仍几乎不发生膨胀，展现出优异的稳定性。
意义
该工作从“水化作用”这一根本驱动力出发，提出通过深度脱水跨越结构稳定的临界尺度，实现了二维层状膜在水环境中的稳定运行。这一策略突破了传统依赖增强相互作用力的思路，从能量角度重新定义了抗膨胀机制。更重要的是，该方法不仅适用于蛭石膜，还可推广至其他二维材料体系，为构建稳定的亚纳米通道提供了一种通用路径。在实际应用中，该膜已成功用于盐湖提锂，并结合电渗析–沉淀工艺实现工业级碳酸锂生产，展示了明确的工程化潜力。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/55TAdavL6nU7HEPI_jpZAg
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