中科院青岛能源所高军研究员Angew：通过冠醚柱撑埃级通道实现高选择性筛锂
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阅读： 2024/1/17 15:46:45
生物离子通道利用各种策略的协同效应来实现高度选择性的离子筛选。例如，钾离子通道利用功能基团和埃级大小的孔隙来区分竞争离子并富集目标离子。由于电动汽车行业的快速发展，Li+筛分正引起越来越多的关注。如果能构建具有Li+/Na+和Li+/Mg2+选择性的装置，就能从海水和盐湖水中提取锂。然而，实现高Li+/Na+获Li+/Mg2+选择性仍是一项挑战。
近日，中科院青岛能源所高军研究员构建了一种冠醚柱撑的层状晶体，将这些策略结合在一起，实现了高Li+选择性。其中，柱撑通道和冠醚的尺寸为埃级。此外，冠醚特别允许Li+的低阻传输。这些通道吸引并富集Li+离子高达几个数量级。因此，所设计的材料能从Na+、K+、Ca2+、Mg2+和Al3+等各种常见离子中筛出Li+。此外，通过自发富集Li+离子，它在Li+浓度仅为25μM 的人工海水中实现了1422的有效Li+/Na+选择性。作者期待这项工作能为锂离子和其他稀金属离子的提取技术带来新的灵感。
文章要点：
1. 这项工作展示了一种生物模拟策略，通过在层状二维材料中加入尺寸排斥、特异性相互作用和离子富集效应来实现高Li+选择性。
2. 具体而言，作者将1-Aza-15-crown-5(A15C5)插层到层状氢氧化锌硝酸盐（ZHN）晶体中，从而实现了这一目标。与二维层状材料相比，ZHN是一种难以剥离的材料。通常，二维层状材料在水中容易膨胀，从而影响离子选择性。ZHN的难剥离特性可降低膨胀风险，有助于离子筛分。
3. A15C5和插层ZHN具有埃级孔隙/通道，可以排斥比水合Li+更大的水合离子。此外，插层A15C5还能区分Na+和Mg2+。因此，当Li+、Na+和Mg2+的摩尔浓度相同时，制备的材料对Li+具有选择性，而对Na+、K+、Ca2+、Mg2+和Al3+等常见离子则没有选择性。
4.此外，当Li+浓度急剧下降时，ZHN通道仍会高度吸引和富集Li+，阻碍Li+通量的降低。因此，该通道的有效选择性随着Li+浓度的降低而增加。在Li+浓度为25 μM和Na+浓度为0.5 M的人造海水中，通道的有效Li+/Na+选择性为1422。
图1 材料制备
图2 离子选择性
图3 筛锂机制
图4 埃级通道的Li+富集效应及其在从浓Na+中筛分Li+的应用
原文链接：
https://doi.org/10.1002/anie.202316161
转自：“高分子科学前沿”微信公众号
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