JPCL│天津大学周凯歌团队：在二维受限冰通道内锂超快的选择性输运

背景介绍

在自然界中，纳米尺度受限空间中选择性离子传输的现象对于生物和人工系统中能量转换和信号传递过程至关重要。受此启发，研究者长久以来致力于设计和开发离子选择性通道,用于关键战略元素的分离和纯化。然而，至今为止，设计针对碱金属的高效选择性分离通道仍面临重大挑战，尤其是面临当下新能源领域内日益增长的锂资源需求。其主要原因是碱金属离子间价态相同且亲和力相似，离子半径差异小，且受到环绕离子的受限水影响较大。因此，研究受限水结构对离子输运的影响是寻找高效碱金属分离的关键。

工作内容

在该研究工作中，天津大学周凯歌课题组利用蛭石或氧化石墨烯膜中的层状限域空间择型合成具有不同取向的二维受限冰通道，并研究其中的离子选择性传输特性。层状受限空间的尺寸可显著影响二维受限冰的取向，如：当由蛭石构成的通道尺寸达到1.41 nm时，可获得主要沿（002）生长的二维冰；当由氧化石墨烯构成的层状限域通道尺寸达到0.92 nm时，（100）取向的二维冰逐渐增多。通过对不同取向二维受限冰中离子输运特性的表征，可发现：Li⁺沿二维受限冰的（002）晶面表现出特殊的选择性传输输运，其中Li⁺/Na⁺和Li⁺/K⁺的渗透选择性分别高达556 ± 86和901 ± 172；而在沿（100）方向生长的二维受限冰中，Li⁺和其他碱金属离子的渗透选择性发生明显下降。分子动力学模拟显示不同取向二维受限冰中的传输通道尺寸是决定一价碱金属阳离子选择性的重要因素。而通过调控层状限域空间对二维受限冰的择型控制可有效调控其离子传输特性。因此，本研究工作不仅揭示了二维冰中的锂离子选择性传输机制，而且为利用受限水结构理性地设计高效碱金属分离膜提供了理论指导。相关工作得到太原理工大学赵敏课题组的支持。

图1.碱金属阳离子在二维受限冰内的传输行为

图2.二维受限冰中离子输运速率与离子半径的关系

图3. 通过层状限域通道对二维受限冰取向和渗透选择性的调控

图4.二维受限冰内离子迁移机理

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.3c03445

导师介绍

周凯歌，天津大学分子+研究院教授，国家级青年人才项目入选者，2012年度英国皇家学会牛顿学者。在英国曼彻斯特大学、比利时天主教荷语鲁汶大学及兰州大学从事多年科学研究工作。专注于亚纳米孔道内的物质超快弹道传输研究，以可调自组装层状有序结构建立了电控纳流体器件的构筑策略。以第一作者或独立通讯作者在包括：Nature、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano 等期刊上发表论文10篇，影响因子总和108，单篇最高他引421 次；总计发表论文23 篇，他引1467 次。多篇论文入选 ESI高被引论文。