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理化所等在鋰離子篩分研究中獲進展
2021年01月06日 10:15:05
來源：理化技術研究所 點擊量：3962
鋰離子作為一種重要的資源，其篩分與富集業(yè)已成為研究熱點。該工作在材料合成過程中引入仿生概念，利用二維復合材料成功構(gòu)筑了一種具有類似貝殼的層狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)的仿生納米限域孔道復合膜。這種非對稱復合膜可有效地實現(xiàn)鋰離子篩分和富集，為關鍵的能源元素鋰的回收利用提供了可行性的驗證。
【化工儀器網(wǎng) 科技前沿】2020年12月30日，Matter在線發(fā)表了中國科學院理化技術研究所研究員聞利平和北京航空航天大學副教授張千帆團隊關于鋰離子篩分的新研究成果。 
鋰離子作為一種重要的資源，其篩分與富集業(yè)已成為研究熱點。該工作在材料合成過程中引入仿生概念，利用二維復合材料成功構(gòu)筑了一種具有類似貝殼的層狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)的仿生納米限域孔道復合膜。這種非對稱復合膜可有效地實現(xiàn)鋰離子篩分和富集，為關鍵的能源元素鋰的回收利用提供了可行性的驗證。
過去，科學家們模仿一些獨特的生物結(jié)構(gòu)或功能，創(chuàng)造出具有識別功能及高強度機械性能的仿生材料。近，二維(2D)納米片作為一種新興的功能材料受到關注與研究。這種材料中的納米通道可分離具有不同物理化學性質(zhì)(如尺寸大小、電荷極性及化學親和性等)的混合物。此外，納米片具有優(yōu)異的柔性、天然孔隙和電學性能，是大規(guī)模生產(chǎn)分離膜的理想材料之一。各種層狀材料相繼被成功地剝離和重構(gòu)，如氧化石墨烯(GO)、六方氮化硼、過渡金屬碳化物和氮化物(MXene)、黑磷及層狀粘土。其中，納米片表面獨特的化學活性，特別是由含氧官能團產(chǎn)生的疏水域和親水域的交替區(qū)域，能夠?qū)崿F(xiàn)物質(zhì)的可控傳輸。然而，目前的二維材料在水溶液中不能長時間穩(wěn)定，易發(fā)生溶脹，從而影響其實際應用。
基于此，研究人員開發(fā)了一種簡單的重構(gòu)方法來獲得納米纖維交聯(lián)的功能化納米片，形成類似貝殼的層狀結(jié)構(gòu)。由于納米纖維的交聯(lián)作用，復合膜能夠有效防止水溶液進入納米片層之間引起的溶脹現(xiàn)象。力學性能測試結(jié)果表明所制備的納米片水平排列結(jié)構(gòu)具有較好的力學行為，超過了天然珍珠層的性能。這一特性使復合膜在水中能夠長期的穩(wěn)定運行和使用。該復合膜的不對稱幾何構(gòu)型和化學性質(zhì)實現(xiàn)了鋰離子的提取和篩分，其Li+/Na+和Li+/K+的選擇性分別達到2.52和4.78，超過了目前已報道的基于二維材料復合膜的性能。此外，這種具有非對稱的結(jié)構(gòu)，電荷表面以及化學活性的復合膜，有望在水處理、能量轉(zhuǎn)換以及離子電池中進一步應用。
基于仿生納米通道膜的離子篩分
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