2026 年 10 月 29 日
神户大学（Kobe University）的研究团队及其合作者开发出一类新型聚合物膜，旨在解决离子分离中的效率与选择性难题。该研究成果已发表于《科学进展》（Science Advances）杂志。
通过在埃格斯特朗（Angstrom）尺度上设计相互连接的水通道，研究人员实现了从富锂盐水中高效回收锂以及模拟海水中高纯度盐的提取，为可持续资源回收提供了新的技术路径。
离子分离面临的挑战
锂是电动汽车和可再生能源储能系统中可充电电池的关键材料。然而，从天然盐湖卤水中提取锂面临巨大挑战，因为这类溶液通常含有大量镁及其他溶解盐。在海水处理过程中，类似的困难也存在：需要从复杂的溶解离子混合物中分离出有价值的盐分。
基于膜的分离技术被视为传统化学处理的有力替代方案，但现有膜技术往往受限于离子传输效率与选择性之间的基本权衡。扩大膜孔径虽有助于离子运动，却会导致不需要的离子通过；反之，缩小孔径虽能改善分离效果，却以牺牲传输效率为代价。
此外，传统的离子交换膜通常对带正电或负电的离子具有偏好性。开发一种能够有效区分单价离子和多价离子的膜，仍是该领域的一大技术瓶颈。
分子尺度的水道设计
为了突破上述局限，神户大学的膜工程研究人员林宇清（Lin Yuqing）、松山秀人（Matsuyama Hideto）及其同事开发了一种基于 Tröger 基有机衍生的多孔有机聚合物（POPs）的新类离子交换膜。
通过结合专门设计的分子构建单元，研究人员构建了一个刚性的三维聚合物网络，其中包含宽度约为 0.57–0.7 纳米的相互连接孔隙。
随后，他们引入带电功能基团以促进连续充水通道（即水合通道）的形成，同时保持膜的结构稳定性。与传统主要依赖调整孔径或膜电荷的方法不同，这种策略同时控制了孔径结构、连通性以及离子移动的局部化学环境。
“关键不仅仅在于使膜孔变小，而在于控制水分子如何在其中组织和连接，”林宇清解释道，“通过设计这些水合通路，我们可以促进单价离子的运动。”
实验和分子模拟表明，该膜的选择性源于多种机制的协同作用。单价离子可以部分重组其周围的水分子，并以相对较低的阻力通过狭窄通道。然而，多价离子由于具有更强的水合作用、空间限制和静电相互作用，面临着更高的传输障碍。
具体而言，带正电的多价离子受到封闭效应和静电排斥的阻碍，而带负电的硫酸根离子则可能与膜内的带电位点紧密结合，从而限制其运动。这种在阳离子和阴离子系统中分辨单价与多价离子的能力，是该膜的独特特征。
从选择性输送到实际回收
为了验证该膜的实用潜力，研究人员将其应用于三阶段电渗析过程，从富含锂的盐湖卤水中提取锂。电渗析利用电场驱动溶解离子通过选择性膜，从而实现有价值离子的分离和浓缩。
经过三个分离阶段后，初始溶液中锂与镁的比率从约 40 逐渐降至 0.08，相当于近 500 倍的减少。
浓缩后的溶液随后被转化为纯度达 99.5% 的晶体碳酸锂。在超过 400 小时的连续电渗析运行中，该膜保持了稳定的分离性能，证明了其在苛刻条件下持续使用的潜力。
除了锂回收外，研究人员还证明相同的膜可以从模拟海水中选择性富集碘化物。
处理后，碘化物和溴化物占富集溶液中测量离子总质量的 99.4%。这些发现凸显了膜设计的多功能性，表明该技术可以选择性地分离不同的离子混合物，而不局限于单一应用场景。
“能够将快速的离子传输与精确的选择性相结合，是膜分离技术的重要进展，”松山秀人说，“这种方法为从复杂水溶液中回收有价值资源提供了新的机会。”
迈向更可持续的资源回收
这些研究结果表明，在分子层面控制充水通道有助于克服离子传输效率和选择性之间长期存在的权衡关系。通过结合快速传输、强大的离子分离能力和结构稳定性，所开发的膜为更节省资源的分离过程提供了一个有前景的平台。
未来的发展将集中在评估膜在实际工业水源和自然水体中的表现，改进大规模膜制造工艺，并将技术集成到实际的分离系统中。
除锂提取和盐净化外，这种方法还有望为未来的资源回收、废水处理以及其他电化学分离过程的膜技术做出贡献。
参考文献：Hapeng Sun et al, Hydrated channel engineering in Troger base POPs for mono/polyvalent ion discrimination, Science Advances (2026). DOI: 10.1126/sciadv.aef9368
