JPCL│天津大學周凱歌團隊：在二維受限冰通道內鋰超快的選擇性輸運

背景介紹

在自然界中，納米尺度受限空間中選擇性離子傳輸的現象對于生物和人工系統中能量轉換和信號傳遞過程至關重要。受此啟發，研究者長久以來致力于設計和開發離子選擇性通道,用于關鍵戰略元素的分離和純化。然而，至今為止，設計針對堿金屬的高效選擇性分離通道仍面臨重大挑戰，尤其是面臨當下新能源領域內日益增長的鋰資源需求。其主要原因是堿金屬離子間價態相同且親和力相似，離子半徑差異小，且受到環繞離子的受限水影響較大。因此，研究受限水結構對離子輸運的影響是尋找高效堿金屬分離的關鍵。

工作內容

在該研究工作中，天津大學周凱歌課題組利用蛭石或氧化石墨烯膜中的層狀限域空間擇型合成具有不同取向的二維受限冰通道，并研究其中的離子選擇性傳輸特性。層狀受限空間的尺寸可顯著影響二維受限冰的取向，如：當由蛭石構成的通道尺寸達到1.41 nm時，可獲得主要沿（002）生長的二維冰；當由氧化石墨烯構成的層狀限域通道尺寸達到0.92 nm時，（100）取向的二維冰逐漸增多。通過對不同取向二維受限冰中離子輸運特性的表征，可發現：Li⁺沿二維受限冰的（002）晶面表現出特殊的選擇性傳輸輸運，其中Li⁺/Na⁺和Li⁺/K⁺的滲透選擇性分別高達556 ± 86和901 ± 172；而在沿（100）方向生長的二維受限冰中，Li⁺和其他堿金屬離子的滲透選擇性發生明顯下降。分子動力學模擬顯示不同取向二維受限冰中的傳輸通道尺寸是決定一價堿金屬陽離子選擇性的重要因素。而通過調控層狀限域空間對二維受限冰的擇型控制可有效調控其離子傳輸特性。因此，本研究工作不僅揭示了二維冰中的鋰離子選擇性傳輸機制，而且為利用受限水結構理性地設計高效堿金屬分離膜提供了理論指導。相關工作得到太原理工大學趙敏課題組的支持。

圖1.堿金屬陽離子在二維受限冰內的傳輸行為

圖2.二維受限冰中離子輸運速率與離子半徑的關系

圖3. 通過層狀限域通道對二維受限冰取向和滲透選擇性的調控

圖4.二維受限冰內離子遷移機理

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.3c03445

導師介紹

周凱歌，天津大學分子+研究院教授，國家級青年人才項目入選者，2012年度英國皇家學會牛頓學者。在英國曼徹斯特大學、比利時天主教荷語魯汶大學及蘭州大學從事多年科學研究工作。專注于亞納米孔道內的物質超快彈道傳輸研究，以可調自組裝層狀有序結構建立了電控納流體器件的構筑策略。以第一作者或獨立通訊作者在包括：Nature、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano 等期刊上發表論文10篇，影響因子總和108，單篇最高他引421 次；總計發表論文23 篇，他引1467 次。多篇論文入選 ESI高被引論文。