在全球能源結(jié)構(gòu)加速向清潔能源轉(zhuǎn)型中，鋰資源需求持續(xù)增長。鹽湖型鋰資源因儲量豐富、開發(fā)潛力巨大，已成為我國鋰資源保障體系的重要組成部分。但傳統(tǒng)先提鉀后提鋰工藝流程長，各階段鋰夾帶損失大，因此鹽湖資源開發(fā)急切需要提高鋰收率。近年來，直接提鋰（Direct Lithium Extraction, DLE）技術(shù)因其高效、綠色環(huán)保的優(yōu)勢，成為未來鹽湖鋰資源高效開發(fā)的重要發(fā)展方向。然而在實際鹽湖和后端沉鋰工藝中，Li+往往與極高濃度Na+共存，且Li+、Na+離子性質(zhì)相似，使得Li+/Na+分離成為直接提鋰過程中貫穿前處理與分離純化各環(huán)節(jié)的核心難題，也是當(dāng)前國際公認(rèn)的關(guān)鍵瓶頸。在離子分離工藝中，離子膜分離具有連續(xù)運行和易于工程放大的優(yōu)勢，已成為有效離子分離技術(shù)。然而，受限于傳統(tǒng)膜材料的篩分設(shè)計，很難實現(xiàn)Li+/Na+分離，也無法解決Li+高通量傳輸?shù)耐瑫r對Na+的高選擇性抑制難題。

近日，中國科學(xué)院青海鹽湖研究所劉忠研究員團隊在鋰鈉高效分離膜材料領(lǐng)域取得重要進展，該研究突破傳統(tǒng)“通量與選擇性難以兼顧”的膜分離瓶頸，創(chuàng)新性提出基于離子辨識吸附的“限域俘獲-躍遷（bind-jump）”機制：通過在共價有機框架（COF）膜通道中引入具有鋰親和性的雙酮分子（HTTA），構(gòu)建出疏水性識別腔體，在電場作用下優(yōu)先俘獲Li+，協(xié)同脫去部分水合殼層后沿通道躍遷；而Na+、K+因結(jié)合能力弱、遷移阻力大而被有效篩拒。該機制實現(xiàn)達143 mmol·m-2·h-1的Li+通量以及高達320的Li+/Na+選擇性，相較于未加載HTTA的COF膜，通量和選擇性分別有2.5倍和超100倍的同步提升，顯著緩解了長期制約膜性能提升的“Trade-off”效應(yīng)。

更重要的是，該膜在國內(nèi)外真實鹽湖鹵水中表現(xiàn)出優(yōu)異的Li+富集能力：單級電驅(qū)操作即可將Na+/Li+比降至原始值的約1/8，Li+選擇性和能耗遠優(yōu)于現(xiàn)有商業(yè)膜，顯示出極強的工程應(yīng)用潛力和推廣價值。本研究不僅為鹽湖直接提鋰提供了高效、低能耗的新技術(shù)路徑，也為精準(zhǔn)離子識別與分離材料的界面設(shè)計提供了全新思路。

相關(guān)成果以題為“Ion Trap Membrane with Confined Bind-Jump Strategy for High-Efficiency Direct Lithium Extraction”的論文發(fā)表在《Science Advances》期刊，碩士研究生杜亞倩為第一作者，雷達副研究員和劉忠研究員為通訊作者，青海鹽湖所為唯一通訊單位。

該研究得到國家自然科學(xué)基金（U20A20141、22304185、U23A20119）、青海省科技廳項目（2024-GX-120）、中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團隊計劃（YSBR-039）、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（XDB1130301）和青海省昆侖英才計劃等項目的聯(lián)合資助。

論文鏈接：? https://www.science.org/doi/abs/10.1126/sciadv.aea5077

圖1：HTTAn-TpTapa/PAN膜的構(gòu)建及結(jié)構(gòu)表征

圖2：大尺寸離子分離膜實物照片（直徑可達23 cm）

圖3：離子“躍遷”傳輸動力學(xué)分析及膜性能表現(xiàn)

審核：葛飛