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11
2026
-
09
JMS: 既“挡镁”又“亲锂”，三重协同COF埃尺度通道实现锂镁分离
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背景
盐湖卤水蕴藏着全球超过70%的锂资源，但其中通常伴随大量Mg²⁺等竞争离子，而Li⁺与Mg²⁺在水溶液中的物化性质相近，使*锂镁分离成为膜法提锂的核心难题。COF具有规则、可调且易于功能化的孔道，为离子*筛分提供了理想平台，但目前多数COF膜由尺寸较大的芳香单体构筑，孔径通常达到1–3 nm，明显大于埃尺度的水合离子，因此单纯依靠尺寸筛分很难获得*高的Li⁺/Mg²⁺选择性。进一步缩小孔径虽然能够增强对Mg²⁺的空间排阻，而引入正电荷还可以通过Donnan排斥进一步抑制二价阳离子进入，但这两种策略同样可能增加Li⁺传输阻力，导致选择性提升以牺牲Li⁺通量为代价。因此，真正理想的提锂通道不能只是“把Mg²⁺挡得更严”，还需要同时建立能够“让Li⁺走得更快”的特异性相互作用，从而突破通量与选择性之间的矛盾。
创新
近日，西安建筑科技大学何喜红教授团队联合日本神户大学松山秀人教授将“埃尺度限域、正电荷排斥和亲锂识别”三种功能直接编码进同一COF通道。通过小尺寸、带正电的1,3-二氨基胍盐酸盐（DG）与含有高密度甲氧基的TBB醛单体缩合，构筑DG-TBB膜：小尺寸DG赋予框架埃尺度孔道并引入正电环境，使尺寸限域与Donnan排斥共同抑制Mg²⁺进入；与此同时，TBB中的短链–OCH₃基团提供高密度亲锂位点，其含氧基团能够参与Li⁺水合环境重构，促进Li⁺部分脱水并降低跨膜传输阻力。研究还分别构筑缺少亲锂基团的DG-TFB膜和电中性的ODH-TBB膜作为对照，从而将“亲锂作用”和“电荷作用”解耦验证。结果显示，DG-TBB实现了73.6 mmol m⁻² h⁻¹的Li⁺渗透速率和高达1200的Li⁺/Mg²⁺选择性；相比之下，缺少亲锂位点的DG-TFB仅为4.3 mmol m⁻² h⁻¹和238，而缺少正电荷的ODH-TBB虽然保持64.9 mmol m⁻² h⁻¹的较高Li⁺通量，选择性却仅为39。这一对比清楚表明，高性能并非来自单一机制，而是亲锂促进Li⁺传输与Donnan排斥抑制Mg²⁺传输之间的协同作用。
意义
这项工作的核心意义在于，它将离子筛分从单一的“设置一道更小的门”推进到对不同离子构建差异化的传输能垒。传统尺寸筛分或电荷排斥主要考虑如何阻止不需要的离子，但通道越窄、排斥越强，目标Li⁺自身往往也越难通过；DG-TBB则通过功能分工解决这一矛盾——埃尺度限域提供第一层尺寸识别，正电通道进一步放大Li⁺/Mg²⁺之间的价态差异，而亲锂位点主动补偿Li⁺进入受限通道所付出的脱水和传输代价。因此，膜设计的重点从简单追求“小孔径”和“高电荷密度”，转向同时考虑“如何排斥竞争离子”与“如何促进目标离子”。更进一步，这项研究通过结构匹配的对照膜分别拆解亲锂性和电荷效应，为建立“孔径限域–Donnan排斥–特异性亲和传输”的协同机制提供了较清晰的实验依据。DG-TBB在不同实际环境以及多种单/二价离子体系中仍表现出稳定的分离能力，也说明这种多功能通道设计并不限于Li⁺/Mg²⁺体系，而有望成为资源化离子分离中“阻滞非目标离子+加速目标离子”的一般性设计思路。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/-zRQMB1T-M70uUM2gxID4Q
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