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2026

Nature Communications｜仿生纳滤膜助力锂回收：抗双面电荷结构

作者：

英文题目

Advanced Biomimetic Nanofiltration Membranes for Lithium Recovery with Anti-Janus Charge Structure

中文题目

先进的仿生纳滤膜助力锂回收：抗双面神电荷结构的突破

期刊名称：Nature Communications

发表日期：2025年11月11日

DOI：10.1038/s41467-025-66887-2

摘要内容

本研究开发了一种具有高锂离子（Li⁺）选择性的纳米过滤（NF）膜，旨在解决全球锂短缺问题。传统NF膜由于其双面神（Janus）电荷结构，存在锂离子渗透率低和透过性差的问题。受沙尘暴内部电荷结构的启发，研究团队提出了一种离散微纳孤立岛策略，通过设计一种季铵电解质（4-氨基-N,N,N-三甲基哌啶溴化物，ATPB）来调节NF膜内的电荷分布，成功构建了具有马赛克电荷结构的抗双面神（AJ）NF膜。该膜在Li⁺/X²⁺（如Co²⁺、Mn²⁺等）选择性上比传统PIP-TMC膜提高了647%-904%，锂离子渗透率达到84.99%，透过性达到20.72 LMH/bar。此外，本研究还引入了“关键效率乘积”（CEP）模型，用于评估锂离子回收性能。

研究背景和意义

随着锂离子电池在电子设备、电动汽车和清洁能源系统中的广泛应用，全球锂资源短缺问题日益严重。为了实现经济高效的锂回收，研究者们一直在探索高效的分离技术。纳米过滤（NF）技术因其成本低、无化学添加和可扩展性强而备受关注。然而，传统的NF膜由于其双面神电荷结构，存在锂离子渗透率低和透过性差的问题，限制了其在锂回收中的应用。本研究通过创新的膜设计，解决了传统NF膜的局限性，为锂回收提供了一种高效、可持续的解决方案。

实验步骤

为了制备具有离散微纳孤立岛电荷结构的AJ NF膜，研究团队采用了以下步骤：

1. ATPB合成：将4-溴哌啶盐酸盐（4g）溶解于130mL乙醇中，缓慢加入30mL三甲胺（4.2M乙醇溶液），在80°C下搅拌回流72小时。反应完成后，将溶液蒸发、用乙醇洗涤三次，并在65°C真空干燥8小时，得到ATPB。

2. NF膜制备：首先，将聚醚砜（PES）超滤膜浸入0.3 wt%的PIP水溶液中5分钟，用橡胶刮刀去除多余溶液。随后，将0.1 wt%的TMC己烷溶液倒在膜表面，反应20秒，制得控制NF膜。接着，将新鲜制备的控制NF膜浸入2 wt%的ATPB水溶液（pH=11.5）中40分钟，室温干燥后，55°C热处理3分钟，最后储存在超纯水中。

3. 膜性能测试：通过交叉流过滤实验，使用五种盐溶液（包括LiCl、NaCl、MgCl₂和CoCl₂）评估AJ NF膜的性能。结果显示，AJ NF膜对二价盐（如MgCl₂和CoCl₂）的截留率超过93%，而对LiCl和NaCl的截留率分别为15.01%和19.18%，表现出显著的Li⁺/X²⁺选择性。此外，AJ NF膜的水透过性达到20.72 L m⁻²h⁻¹bar⁻¹，克服了传统NF膜在选择性和透过性之间的权衡。

主要结果和结论

本研究成功开发了一种新型的AJ NF膜，其在锂离子回收方面表现出卓越的性能。与传统NF膜相比，AJ NF膜的Li⁺/X²⁺选择性提高了647%-904%，锂离子渗透率达到84.99%，透过性达到20.72 LMH/bar。此外，通过引入CEP模型，本研究为评估NF膜的锂离子回收性能提供了一个全面的指标。实验结果表明，AJ NF膜在实际应用中具有高效、稳定的锂离子回收能力，为解决全球锂短缺问题提供了一种可行的技术方案。

详细机理

AJ NF膜的优异性能归功于其独特的离散微纳孤立岛电荷结构。这种结构通过在膜内形成局部微电场，为锂离子的快速传输提供了通道。与传统的双面神膜相比，AJ膜的电荷分布避免了电荷屏蔽效应，使得锂离子能够更高效地穿透膜。此外，通过分子动力学模拟，研究发现AJ膜表面的羧基团对水分子具有更强的亲和力，促进了水的吸收和扩散，从而提高了膜的水透过性。这种创新的电荷结构设计不仅提高了锂离子的选择性分离，还显著改善了膜的水透过性能，为下一代NF膜技术的发展提供了新的方向。

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/bQnBmLuN2pDcRGmEoGiTAg