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  近日，海南大學(xué)黃瑋/張明鑫團(tuán)隊(duì)針對(duì)高濃度混合鹽溶液分離這一世界性難題，創(chuàng)新性地研發(fā)出一種新型超分子基離子分離膜（18C6-COF），在實(shí)現(xiàn)高通量的同時(shí)，保持了卓越的離子選擇性。

  2026年2月4日，相關(guān)研究成果以“Supramolecular-Based Ion Separation Membranes for Direct Separation of Concentrated Mixed-Salt Solutions”為題發(fā)表在化學(xué)頂級(jí)期刊《JACS》上。

【研究背景】

  在海水淡化、鹽湖提鋰及工業(yè)廢水零排放等領(lǐng)域，高濃度混合鹽的高效分離至關(guān)重要。然而，傳統(tǒng)離子選擇性膜（ISMs）在處理高濃鹽水時(shí)面臨巨大挑戰(zhàn)：機(jī)制失效：在高濃度環(huán)境下，離子競(jìng)爭(zhēng)加劇，膜孔易受干擾，電荷作用被屏蔽，導(dǎo)致選擇性嚴(yán)重衰減；通量瓶頸：強(qiáng)結(jié)合位點(diǎn)雖然能增強(qiáng)識(shí)別，但常因離子脫附困難、遷移阻力大而犧牲通量。

【核心創(chuàng)新】

圖1: 18C6-COF雙通道分離膜的設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)

1. 構(gòu)筑“超分子雙通道”機(jī)制

  受生物離子通道啟發(fā)，團(tuán)隊(duì)將具有單價(jià)離子親和性的18-冠-6（18C6）大環(huán)化合物共價(jià)嵌入共價(jià)有機(jī)框架（COF）的一維納米通道中，構(gòu)建了并行的兩種通道：超分子識(shí)別通道：負(fù)責(zé)陽(yáng)離子的精準(zhǔn)識(shí)別與低阻力傳遞；自由傳輸通道：由大環(huán)隔離而成，促進(jìn)陰離子的快速遷移。這種空間與時(shí)間上的傳輸分離，顯著降低了離子干擾，實(shí)現(xiàn)了選擇性與通量的同步提升。

2. 模擬生物“敲擊機(jī)制”（Knock-on Mechanism）

  研究發(fā)現(xiàn)，18C6-COF膜內(nèi)部連續(xù)排列的離子結(jié)合位點(diǎn)使得離子遷移類似于“牛頓擺”運(yùn)動(dòng) ：離子通過(guò)冠醚環(huán)的γ-弛豫（扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）進(jìn)行遷移，無(wú)需經(jīng)歷完全的脫水-再水合過(guò)程；這種低能壘的傳輸方式，使膜在強(qiáng)結(jié)合環(huán)境下仍能保持極高的離子通量。

圖2： 離子跨膜傳輸機(jī)制及其論證

【性能表現(xiàn)】

  18C6-COF膜在高鹽環(huán)境下表現(xiàn)出“反常”的優(yōu)異性能，展現(xiàn)了極強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性：

• 超高選擇性：在1 M高濃度鹽溶液中， K⁺/Mg²⁺選擇性高達(dá)254.7。

• 超高通量：相比0.1 M稀溶液，K⁺通量在1 M濃度下提升了44.1倍，達(dá)到2403 mmol m^-2 h^-1。

• 復(fù)雜體系應(yīng)用：在總鹽度高達(dá)270 g/L的多元混合鹽中，依然保持優(yōu)異的分離能力，展現(xiàn)了在鹵水直接提鉀、提鋰方面的應(yīng)用潛力。

圖3： 分離膜的離子選擇性傳輸行為

【總結(jié)與展望】

  本研究通過(guò)超分子工程策略，突破了高濃度混合鹽分離中“選擇性與通量”難以兼得的行業(yè)瓶頸。該技術(shù)不僅為開(kāi)發(fā)下一代高性能離子分離膜提供了新思路，也為從鹽湖濃鹽水中直接提取鋰離子資源提供了極具潛力的解決方案。

論文信息：

  第一作者：李成成

  通訊作者：張明鑫&黃瑋

  其他合作作者：李燊，王婷，鐘雅潔，田新龍

  致謝：國(guó)家自然科學(xué)基金（52403088, 52162012）、海南省南海新星(NHXXRCXM202305)，上海同步輻射光源——BL16B1線站

  論文鏈接：https://doi.org/10.1021/jacs.5c16874