利用埃级尺寸冠醚柱撑通道实现高选择性的锂传输

  近日,仿生能源界面技术研究中心与青岛大学刘学丽,温州大学刘楠楠研究团队合作在海水提锂领域取得进展,构筑了埃级尺寸的冠醚柱撑通道实现高选择性锂离子传输,研究成果发表在《德国应用化学》(Angew. Chem. Int. Ed.)上。

  生物离子通道可以将目标离子与竞争离子高选择性分离,它们的分离性能仍是人工材料无法企及的。然而,我们可以从中获得启示用于提升人工材料的性能,并应用于能源和环境领域。例如,随着电动汽车产业的快速发展,锂的需求急剧增加,盐湖提锂、海水提锂受到越来越多的关注。从盐湖或海水中提锂的材料必须具有极高的Li+/Mg2+Li+/Na+选择性,而这正是当前分离材料领域的重大挑战。

  研究团队注意到,生物离子通道实现高选择性分离的机制是多维度的。这些通道具有埃级尺寸,可以适配目标离子并排斥较大的离子;另外,通道表面丰富的基团与目标离子发生特异性识别,可以强烈吸引并富集目标离子,这种富集作用显著增强了目标离子电导。利用以上机制的协同效应,生物离子通道可以在排斥竞争离子的同时增强目标离子传输,从而显著放大选择性。

  受生物启发,研究团队构筑了埃级尺寸的冠醚柱撑通道,即1-氮杂-15--5插层的碱式硝酸锌(A15C5-pillared ZHN),将以上效应集成到材料中,实现了高选择性锂离子传输。其中,通道的埃级尺寸可以排斥双价离子,而冠醚对碱金属离子有特异性识别功能,可以促进锂的传输,阻碍钠的传输,另外,所构筑的通道与锂离子相互作用强,可以高效富集锂离子,最高可将锂离子电导提升多个数量级。

  为了评估材料提锂的潜力,研究团队制备了含不同浓度LiCl (25 M0.5 M)和固定浓度NaCl0.5 M)的二元离子混合物,将提锂装置置于离子混合物和超纯水之间,使离子沿浓度梯度扩散(2F)。在锂离子浓度与海水中相近(25 M)时,材料可以放大锂离子电导,有效Li+/Na+选择性高达1422。这些结果表明离子富集对提高Li+选择性的重要性

 

  1:生物离子通道的选择性过滤器及仿生冠醚柱撑通道的构筑。


  2:通道对Li+的富集作用及其在从浓Na+中筛除稀Li+中的应用。

  文章的第一作者是青岛能源所科研助理叶婷艳(现上海交通大学在读博士生)、博士后高宏飞和联培博士生李琪。

  该研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院青岛能源所/山能院/青岛新能源省实验室强基计划等项目的资助。(文/ 高军)

  文章链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202316161

   


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