研究开发金属氢氧化物卟吩框架膜实现锂离子精准选择性保留

从盐湖水、地热卤水及海水中高效提取锂，是应对锂资源短缺问题的关键路径之一。传统分离方法因钠、钾等竞争性离子与锂在尺寸和电荷上高度相似，导致它们在分离膜中的迁移行为几乎一致，严重制约了锂的选择性与提取效率。

近期，中国科学院青岛生物能源与过程研究所高军、杨丽君，联合山东科技大学王博研究团队，提出了一种创新的“反向提锂”方法，实现了近乎完美的锂离子选择性截留。与传统思路不同，该方法的核心在于选择性抑制锂离子透过，同时允许钠、钾等其他离子自由通过，从而在膜的一侧实现锂离子的高效富集。其理论基础在于不同离子在迁移过程中所需克服的能垒存在差异：锂离子具有较小的离子半径与较高的电荷密度，通常表现出更高的迁移能垒。通过合理设计膜结构，可有效利用这一差异，调控不同离子的传输行为，实现锂离子的精准分离。

基于上述原理，研究团队构建了一种基于卟吩孔道结构的离子传输通道，实现了对锂离子的近乎完全截留。该膜材料以氯化镍与对位四羧基苯基卟啉（TCPP）为前驱体，通过溶剂热反应结合真空辅助抽滤技术制备而成，形成金属氢氧化物–卟吩框架结构膜（MHOPF）。在该膜中，卟吩孔道高度有序排列，可作为识别并截留锂离子的高效通道。实验结果表明，该膜能有效阻隔锂离子，同时允许钠、钾、钙和镁等离子顺利透过，展现出优异的锂筛选性能。

通过密度泛函理论计算，研究人员揭示了该膜选择性运输的机制。框架中的卟吩腔体与锂离子有着强烈的相互作用，使得锂离子在穿越卟吩腔体时需要克服较高的能量势垒，导致其难以实现跨膜传输。相比之下，钾离子和钠离子与卟吩腔体的相互作用较弱，其穿越卟吩腔体的过程所面临的能量势垒较低，因此能够顺利穿越卟吩腔体，最终实现跨膜运输。这种由离子与卟吩腔体相互作用能差所决定的能量势垒，是该膜能够实现选择性反向提锂的关键物理基础。

研究团队通过真实海水和盐湖水体系测试，验证了MHOPF膜的应用潜力。此外，在使用MHOPF膜进行电渗析实验时，低电压提升了其他竞争离子的渗透性，但仍对锂离子实现截留，展示了该膜材料在锂提取技术中的应用潜力。

相关研究成果以Metal-Hydroxide-Porphin Framework Membrane for Almost Perfectly Selective Li⁺ Retention为题，发表在《德国应用化学》上。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、山东省自然科学基金和山东省重点研发项目等的支持。

论文链接

MHOPF实现几乎完美选择性的反向提锂