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13
2026
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02
Water Research:通过工程化PSS功能化纳米通道膜中的协同纳米限域与离子锚定实现阳离子筛分与回收
作者：
能够实现选择性单价阳离子传输的阳离子交换膜（CEMs）对于可持续水处理和资源回收过程（如节能脱盐和锂回收）至关重要。然而，由于对离子-膜相互作用的纳米尺度控制不足，实现高单价选择性仍然具有挑战性。在本研究中，作者通过一种原位"种子-对向扩散-生长"策略，开发了一种具有仿生纳米通道的高性能单价CEM。在商用阳离子交换膜上构建了带正电的聚苯胺（PANI）层和ZIF-8骨架，随后将聚（4-苯乙烯磺酸钠）（PSS）纳入ZIF-8空腔中以调控离子传输路径。所得的ZIF-PSS改性膜表现出**的单价选择性，对Na⁺/Mg²⁺和Li⁺/Mg²⁺的渗透选择性系数（P）分别达到47.7和36.6，同时保持了较高的离子通量（J_Na⁺ = 2.8 × 10⁻⁸ mol·cm⁻²·s⁻¹；J_Li⁺ = 2.3 × 10⁻⁸ mol·cm⁻²·s⁻¹）。电化学分析（I-V和EIS）表明，PSS的引入促进了Mg²⁺在纳米通道内的积累和双电层重叠，增加了对二价离子的界面电阻。高斯模拟进一步表明，磺酸基团通过空间限域-离子锚定机制降低了单价离子的扩散能垒，同时阻碍了Mg²⁺的传输。改性膜在现有的CEMs中表现出高的一价/二价阳离子渗透选择性，并展示了长期性能稳定性。这项工作为在脱盐和资源回收中实现高效一价/二价离子分离的仿生离子选择性膜提供了适用的设计原则和基础见解。
本文亮点
1.在CEM上原位构建了坚固的PSS功能化ZIF纳米通道：采用创新的"种子-对向扩散-生长"策略，成功在商用阳离子交换膜上构建了PANI层和PSS修饰的ZIF-8三维空腔结构。
2. 实现了**的Na⁺/Mg²⁺和Li⁺/Mg²⁺渗透选择性：ZIF/PSS改性膜（ZIF/P₂-ACEM）的Na⁺/Mg²⁺和Li⁺/Mg²⁺渗透选择性系数分别高达47.7和36.6，同时保持高离子通量，性能优于许多现有膜材料。
3. 揭示了PSS的双重作用机制：增加Mg²⁺传输阻力并降低Na⁺扩散能垒：通过电化学分析和高斯模拟，阐明了PSS通过增强双电层重叠和离子锚定效应，促进Mg²⁺在膜界面富集（形成Mg²⁺层）以阻挡后续Mg²⁺进入，同时利用水合补偿效应加速Na⁺/Li⁺在纳米通道内传输的协同机制。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/X-1Kac8IPv5aalKGfPf3Mg
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