Biomimetisch COF -membraan maakt precieze lithiumionenscheiding mogelijk voor duurzame extractie

Een onderzoeksteam heeft een innovatief membraan ontwikkeld dat biologische ionkanalen nabootst om zeer selectieve lithiumionenscheiding van complexe pekels te bereiken. Hun studie is gepubliceerd in Natuurcommunicatieen de onderzoekers werden geleid door Prof. Gao Jun van het Qingdao Institute of Bio -Energy and Bioprocess Technology (QIBEBT) van de Chinese Academy of Sciences, in samenwerking met onderzoekers van Qingdao University.

Lithium, dat essentieel is voor batterijen en technologieën voor schone energie, wordt vaak aangetroffen in lage concentraties naast hoge niveaus van natrium-, kalium-, magnesium- en calciumionen. Traditionele extractiemethoden kunnen inefficiënt, kostbaar of schadelijk zijn voor het milieu.

Geïnspireerd door biologische ionkanalen, ontwierp het team een ​​sulfonzuur-gefunctionaliseerd covalent organisch raamwerk (COF)-R-TPPA-SO₃H. De willekeurig georiënteerde nanokristallijne structuur van het membraan creëert ultra-narrow, kronkelende kanalen die ionen kunnen onderscheiden op basis van grootte en hydratatie-energie.

Deze unieke structuur maakt een onconventioneel reverse-sieving-mechanisme mogelijk dat de selectieve passage van NA mogelijk maakt⁺K⁺en zelfs tweewaardige ionen zoals MG²⁺ en CA²⁺ onder een elektrisch veld terwijl het effectief gehydrateerde li blokkeert⁺ ionen.

“Onze aanpak haalt lithium niet uit door het door het membraan te trekken. In plaats daarvan verwijderen we selectief alle andere ionen en behouden we lithium,” zei co-first auteur Bao Shiwen van QibeBt. “Dit maakt efficiënte zuivering van één stap mogelijk.”

In laboratoriumtests demonstreerde het membraan opmerkelijke NA⁺/Li⁺ en k⁺/Li⁺ Selectiviteit, vergelijkbaar met die van biologische ionkanalen. De prestaties bleven stabiel in complexe oplossingen, waaronder echte zout-lake pekel. Onder elektrodialyse-omstandigheden verwijderde het membraan consequent belangrijke interfererende ionen, wat resulteerde in een lithium-verrijkte oplossing klaar voor stroomafwaartse verwerking.

“Het combineren van hoge selectiviteit met praktische ionenflux is een belangrijke uitdaging, maar dit membraan bereikt beide”, zei co-correspondende auteur Prof. Gao. “De compatibiliteit met schaalbare elektrodialysesystemen maakt het goed geschikt voor duurzame lithiumextractie.”

Om het mechanisme te begrijpen, gebruikten de onderzoekers computationele modellering. Simulaties onthulden dat de sulfonzuurgroepen in de COF -structuur sterk gedeeltelijk gedehydrateerd Na aantrekken⁺ en k⁺ ionen, waardoor hun transport wordt vergemakkelijkt. Li daarentegen⁺ ionen behouden hun hydratatieschelpen en worden uitgesloten vanwege grootte- en energiebarrières.

Dit membraanontwerp elimineert de behoefte aan complexe multi-stepscheidingsprocessen en biedt een veelbelovende route voor het herstellen van lithium uit laaggrade of magnesiumrijke pekel, die steeds belangrijker worden in de wereldwijde supply chain.

Volgens de auteurs is het ontwerp van het membraan niet alleen effectief maar ook veelzijdig. Hoewel het aanvankelijk werd gefabriceerd op anodisch aluminiumoxide, kan het worden aangepast voor gebruik op keramische substraten voor industriële schaalproductie, waardoor het een praktische optie is voor toekomstige implementatie.