兰州大学陈熙萌/李湛AS：离子锁定：二维异质通道驱动的高效锂分离新突破
兰州大学陈熙萌/李湛AS：离子锁定：二维异质通道驱动的高效锂分离新突破
在全球能源转型与可持续发展的背景下，锂资源的高效提取已成为一个全球性课题。近日，兰州大学稀有同位素前沿科学中心的陈熙萌/李湛课题组在国际顶级期刊《Advanced Science》上发表研究论文，提出了一种基于二维异质通道的"电荷锁定"增强锂分离技术，为锂资源的高效提取提供了创新的解决方案。
在全球能源转型与可持续发展的背景下，锂离子电池作为清洁能源革命的核心，正日益受到重视。随着电动汽车和电网储能等应用需求的激增，锂资源的供应压力不断加大。盐湖作为全球锂资源的重要来源，其高效开发与提取工艺显得尤为重要。全球约70%的锂资源分布在盐湖中，然而，在盐湖中的锂提取过程中，镁离子与锂离子具有相似的离子半径和化学性质，导致高效分离成为一项重大技术挑战。尤其在盐湖中，镁/锂比值常常高达50倍以上，镁离子在分离过程中占据主导地位，严重干扰锂离子的选择性提取。传统的分离技术如溶剂萃取和沉淀法虽已应用，但在处理复杂盐湖水时，往往表现出能耗高、选择性低和环境影响大的问题。因此，亟需发展新型高效的锂提取方法。
近期，兰州大学稀有同位素前沿科学中心的陈熙萌/李湛课题组在国际顶级期刊《Advanced Science》期刊上发表了研究论文，提出了一种基于二维异质通道的"电荷锁定"增强锂分离技术，为锂资源的高效提取提供了创新的解决方案。
膜分离技术因其低能耗和环保特点，近年来逐渐成为研究的热点。尤其是二维（2D）膜材料，由于其独特的层状结构和高通量，在离子分离应用中展现出巨大潜力。然而，传统的二维膜材料如氧化石墨烯（GO）膜，尽管具有较高的透水性，但在离子分离选择性上仍存在不足，特别是在高镁/锂比的复杂盐湖环境中，表现出镁离子截留不足的问题。针对这一技术瓶颈，研究人员提出了创新的"电荷锁定"机制。该机制通过在二维膜结构中引入负电荷中心，专门捕捉高电荷密度的镁离子，从而显著提高锂的分离效率。研究团队设计了一种多孔ZnFe2O4/ZnO纳米片，并将其嵌入Ag+调控的亚纳米层间通道中，形成了独特的二维异质通道结构。在这个通道内，氧原子带有负电荷，与高电荷密度的镁离子发生强相互作用，从而精准"锁定"镁离子，而锂离子则能够快速通过。这一机制与传统的表面电荷排斥机制不同，后者仅依赖于膜表面的电荷排斥效应，而电荷锁定机制则通过在层间结构内实现精准的离子捕捉，具有更高的选择性。
研究团队通过一系列实验验证了Ag@ZFZ-GO膜的高效离子分离性能。在模拟真实盐湖条件下，该膜展现出优异的水通量（44.37 L m−2 h−1 bar−1）和镁离子拒绝率（99.8%），而Li+/Mg2+的选择性高达59.3，显著超越以往的分离膜技术。此外，该膜在循环使用240小时后，仍能保持极高的分离性能，证明其在工业应用中的巨大潜力。特别是在高镁/锂比（Mg2+/Li+比值达到50）的盐湖模拟实验中，Ag@ZFZ-GO膜依然能够保持较高的锂分离选择性，显示出其在复杂盐湖水环境中的稳定性和高效性。
为了深入理解ZnFe2O4/ZnO纳米片的形成过程，研究团队利用密度泛函理论（DFT）计算和分子动力学模拟，揭示了该纳米片在高温下的形成机理。理论计算表明，在ZnO与Fe2O3界面处，氧分子发生脱附，形成氧空位，并通过电荷转移过程，使膜中的氧原子带有负电荷。这些负电荷在镁离子进入通道时，与其进行强烈相互作用，确保了精准的"锁定"效果，而锂离子由于较低的电荷密度，可以自由通过。研究团队进一步证实，Ag@ZFZ-GO膜在纳米尺度上形成了均匀的层状结构，具有良好的稳定性和离子筛分能力。此外，Ag+的加入显著改善了氧化石墨烯膜的表面电荷分布，使膜在水溶液中的电荷更加均匀，减少了膜膨胀的可能性。这一设计不仅增强了膜的稳定性，还使其在多次循环使用后的结构保持完整，展现出极高的工业应用潜力。
此次研究成果不仅在锂离子的分离上取得了重要突破，也为未来二维膜材料在其他战略资源（如钠、钾、镁等）的提取应用提供了新的思路。随着新能源产业的快速发展，高效、绿色的资源提取技术将成为推动全球能源转型的重要力量。未来，基于二维膜的离子分离技术有望在多个领域发挥重要作用，尤其在锂离子电池行业，随着全球电动汽车和储能市场的持续扩展，锂资源的需求将进一步增加。通过优化盐湖锂提取技术，有望大幅降低锂的生产成本，从而缓解锂资源供应链的压力。此外，在海水淡化和污水处理等领域，二维膜技术的应用前景也非常广阔。其高效的离子筛分能力和低能耗特点，使其成为未来水资源处理技术的理想选择。