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2026

CEJ: “离子跳跃通道”，调控COF膜微环境实现高效锂钠分离的新机制

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背景

锂（Li）是驱动能源革命的关键资源，广泛应用于电动车电池、储能系统与高端电子设备。然而，全球约78%的锂资源存在于高盐度盐湖卤水中，其中钠离子（Na⁺）浓度远高于锂离子。由于Li⁺与Na⁺在电荷、半径及水合能等物理化学性质上极为相近，传统的膜分离、离子交换等方法难以实现高效区分。共价有机框架（COF）膜因其有序多孔结构、可调化学官能化与优异稳定性，被视为下一代锂资源提取与盐湖分离材料的理想候选。然而，现有COF膜在Li⁺/Na⁺分离中仍面临两大瓶颈：功能基团过多或过强导致通量下降，高密度–SO₃H基团虽能吸附Li⁺，却也强烈束缚Na⁺，引发通道堵塞与迁移受限；通道化学与空间匹配度不足，刚性框架缺乏动态配位环境，限制了离子的可逆传输与能垒调控。因此，如何在COF通道内平衡离子结合强度与迁移能垒，构建既“选得准”又“传得快”的分离界面，是实现高效锂钠分离的关键科学问题。

创新

近日，中国科学院青海盐湖研究所刘忠研究员团队通过精确调控COF膜内部微环境，提出了一种“辅助跳跃”的离子迁移机制，实现了Li⁺/Na⁺的高效分离。

分子层级设计：构筑可调控的酸性通道

研究者构建了多种磺酸化亚胺键COF膜，系统调节–SO₃H基团密度与空间排布。结果发现，适中的磺酸密度可在保持连续通道的同时，降低Li⁺迁移能垒并抑制Na⁺过度吸附。

柔性链修饰：在刚性通道中引入动态结合位点

在最优膜TpPa-(SO₃H)₂-MOPS中，引入了柔性吗啉丙烷磺酸（MOPS）侧链，形成可动态摆动的“暂态配位位点”。这些位点能短暂捕获Li⁺并迅速释放，实现连续跳跃式传输，显著提高了Li⁺通量。

机制解析：钠被困，锂跳跃

分子动力学模拟揭示，Na⁺因与磺酸基结合过强，易形成局域陷阱；而Li⁺则以较弱结合–解离形式沿通道跃迁，迁移势垒显著降低。这种“选择性束缚–跳跃传输”协同机制，使TpPa-(SO₃H)₂-MOPS膜在电渗析条件下实现Li⁺通量达65.6 mmol·m⁻²·h⁻¹、Li⁺/Na⁺选择性高达190，在浓差驱动下选择性更高达215。

意义

该研究从分子层面揭示了离子选择性迁移的新范式，突破了传统“尺寸筛分”或“电荷排斥”的局限，为膜分离科学带来新的方向。

科学意义：

揭示了COF膜中离子传输的微环境调控规律，首次系统阐明了通过“弱结合 + 动态跳跃”实现高效单价离子分离的机理，丰富了纳米通道离子输运理论体系。

技术意义：

实现了在高通量与高选择性之间的协同突破，为盐湖卤水提锂、废液回收与能量离子筛选提供了可行材料路径。

应用前景：

该“辅助跳跃机制COF膜”具备优异的稳定性与可调性，有望拓展至钠/钾、锂/镁等复杂离子体系的分离，以及下一代离子电子耦合器件与电解体系中。