随着全球清洁能源转型加速，锂资源作为动力电池核心原料，市场需求不断增长。目前，全球大部分的锂储量集中在盐湖卤水中，但卤水中通常富含镁离子，因镁与锂的化学性质相似，使得从高镁锂比的盐湖中高效提锂成为一大技术挑战。二维层状膜因其超薄的结构和可调的层间距，在离子筛分和水处理领域备受关注，但它们在实际应用中易受溶胀困扰。当这些膜被浸入水中时，水分子会进入膜的层间，导致层间通道溶胀变大，大幅降低了筛分离子能力。

据了解，传统二维膜设计中，研究人员通常使用多价阳离子（如钙离子、铝离子）来交联纳米片，试图通过静电吸引力来抑制水分子引起的溶胀。但往往效果有限，因为多价离子本身具有较高的水合能而易于吸引水分子进入层间，最终依然会导致膜结构膨胀。

针对以上难题，青岛能源所仿生能源界面技术研究中心高军研究员团队提出了一种“深度脱水（Deep Dehydration）”策略。通过彻底排出二维膜层间水分，成功将膜的层间距压缩至溶胀临界阈值以下，有效稳定了膜的结构，大幅提升二维膜的抗溶胀性。研究团队首先在亲水蛭石膜（Vermiculite Membrane）的层间引入了水合能较低的单价铯离子（Cs⁺），随后将膜材料置于600 °C的高温下进行“深度脱水”处理，核心是彻底排出层间的自由水和结合水。当大量层间水分子被排出后，膜的层间距会坍缩至极窄临界值，纳米片之间的范德华吸引力、纳米片与插层铯离子之间的静电引力显著增强。这种内部的吸引力超过了水分子重新进入层间所需的能量，从热力学上阻止了膜的重新水合与溶胀。实验结果显示，经过深度脱水的蛭石膜在纯水中浸泡30天后，层间距仅轻微增加了0.45埃，即便在超声波冲击后，依然保持结构完整（图1）。

图1深度脱水策略。蛭石膜深度脱水后层间距充分压缩、抗溶胀性提升

深度脱水蛭石膜的耐水溶胀稳定性，为离子的精确筛分提供了结构基础。由于深度脱水形成的极窄通道，体积较大、水合层较厚的水合镁离子在试图进入膜内时，面临着高空间位阻和高传输势垒。而体积较小的锂离子则可以通过改变水合层的形状顺畅通过。此外，嵌在通道内部的铯离子占据了最低能量的吸附位点，进一步降低了锂离子在通道内传输的能量势垒（图2）。在优化的电驱动渗透条件下，该膜的锂离子渗透率达到了0.65 mol m^-2 h^-1，锂/镁分离选择性达到了148。

图2深度脱水膜增强锂镁选择性机制

为了验证这项技术的实际应用潜力，研究团队选用成分复杂的青海盐湖老卤进行测试。在一套集成的电渗析设备中，经过一步分离处理，卤水中的镁/锂比例从最初的 15.1 降至 0.5，锂离子的质量分数从 6.1 wt% 提升至 45.4 wt%。随后经过浓缩和简单的沉淀处理，提取出了纯度为 99.2% 的工业级碳酸锂粉末（图3）。在面对高渗透压的盐湖卤水时，这种极窄的膜通道能有效限制水分子逆向渗透，减少淡水的消耗，且在长达十多天的连续运行中，膜分离性能稳定，铯离子的流失量极低（小于 2 ppb）。

图3锂镁筛分与盐湖提锂

这项研究工作不仅为解决二维层状膜水溶液中的溶胀问题提供了新的视角，也为降低从天然水体中提取高纯度锂盐的成本与能耗提供了新思路。

相关研究成果以“Deep dehydrated layered vermiculite membrane for selective lithium separation”为题，发表于Angewandte Chemie International Edition《德国应用化学》。文章第一作者为青岛能源所博士后马曌宇，通讯作者为高军研究员。该研究得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金和中国博士后基金等项目的支持。（文/图 高军 马曌宇）

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.9661914

Zhaoyu Ma, Jilong Fan, Chenguang Zhu, Hongfei Gao & Jun Gao*, Deep dehydrated layered vermiculite membrane for selective lithium separation. Angew. Chem. Int. Ed. 2026, e9661914. https://doi.org/10.1002/anie.9661914