中科院青岛能源所刘健&高军团队Science Advances: “同源焊接”结晶/无定形氮化碳复合膜盐湖提锂：又准又稳

共同第一作者：张媛媛，周柯

共同通讯作者：高军，刘健

通讯单位：中科院青岛能源所，青岛科技大学

论文DOI：10.1126/sciadv.adm9620 （点击文末「阅读原文」，直达链接）

背景介绍

锂享有“21世纪能源金属”的美誉，在能源领域发挥着不可替代的作用，我国锂资源丰富，但80%的可开采锂储存于盐湖，盐湖提锂逐渐成为保障我国锂资源安全的重要课题。考虑到我国盐湖中镁锂离子比例达数百，而二者水合直径差异却极小（约1 Å），构筑连续无缺陷的高品质筛分膜是提锂应用的难点。自然界中，生物离子通道能够保证特定离子的高选择性跨膜转运。高选择性的关键包括可以区分二价离子的窄孔径、孔道内能诱导离子无能垒传输的电负性结合位点；此外，离子通道和脂质支撑层之间高度相容的界面也十分重要，二者骨架结构的相似性保证了离子在通道中的高效稳定转运。受生物离子通道启发，我们基于结晶和无定形同源氮化碳材料，构筑了具有埃级尺寸通道的仿生氮化碳膜，实现了高选择性的锂镁分离。

本文亮点

a. 利用结晶氮化碳有序的埃级孔，基于“同源焊接”策略构筑高品质氮化碳复合膜。

b. 得益于均匀、窄的孔隙以及孔道内丰富的离子结合位点，复合膜表现出超高的锂镁选择比（1708），且稳定性高。

图文解析

图1. 生物离子通道启发的“同源焊接”膜的构筑及表征。

图2. 膜用于一元离子输运的行为研究。

图3. 离子进入膜通道及在通道中扩散机制的理论研究。

图4. “同源焊接”膜在二元混合溶液中的离子传输行为和筛分稳定性研究。

总结与展望

研究团队制备了具有埃级孔的结晶型氮化碳（聚三嗪酰亚胺），经超声剥离、真空抽滤得到结晶氮化碳纳米片膜，进一步利用“congener welding”策略在其表面沉积无定形氮化碳，得到界面接触紧密的晶体/聚合物复合膜。得益于聚三嗪酰亚胺均匀、窄的孔隙以及孔道内丰富的离子结合位点，复合膜在锂镁分离中表现出色，可从高浓度Mg²⁺（1.0 M）中筛出极低浓度的Li⁺（0.002 M），选择比达1708。该工作为设计新型锂镁分离膜提供了新思路，为实现从高镁锂比盐湖高效稳定提锂提出了可行方案。

相关成果以“Congener-welded crystalline carbon nitride membrane for robust and highly selective Li/Mg separation”发表在《Science Advances》上。文章第一作者为青岛能源所博士后张媛媛和苏州大学副教授周柯。通讯作者为青岛能源所刘健研究员和高军研究员。

作者介绍

刘健，研究员，博士生导师。2006年毕业于山东大学化学系，获得理学学士学位。2011年毕业于中国科学院化学研究所，获得理学博士学位。从2012年1月至2017年5月，先后在德国马普学会胶体与界面研究所和美国西北大学从事博士后研究。2017年6月至2022年6月，任青岛科技大学教授。2022年6月加入中科院青岛能源所。主要研究领域为仿生材料化学。近年来在Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., Sci. Adv., Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., ACS Catal.等发表论文80余篇，授权发明专利2项。主持国家海外高层次人才引进计划青年项目（2017）、山东省自然科学杰出青年基金（2019）、山东省自然科学重大基础研究项目（2019）、国家自然科学面上项目（2021）和青年项目（2018）及研究所启动经费等。

高军，研究员，博士生导师。2009年获山东大学物理学学士学位。2014年获中科院化学所物理化学博士学位，导师江雷研究员，2014年-2016年在美国西北大学材料科学与工程学院黄嘉兴教授课题组从事博士后研究，2017-2019年在荷兰特文特大学Frieder Mugele教授课题组从事博士后研究，2020年加入中科院青岛能源所。已在Nature Communications等期刊发表论文二十余篇，主持中科院高层次人才计划、山东省自然科学基金优青等项目，参与国家重点研发计划，累计经费逾1400多万。