摘要：锂是制造锂离子电池的关键元素，广泛应用于电动汽车和可再生能源存储等领域。与传统的硬岩开采相比，从盐湖卤水中直接提取锂是一种更具可持续性的替代方案。然而，现有的膜分离技术在选择性和可工业化扩展方面仍然存在挑战，尤其是在高效分离单价锂离子（Li⁺）与二价镁离子（M

研究背景

锂是制造锂离子电池的关键元素，广泛应用于电动汽车和可再生能源存储等领域。与传统的硬岩开采相比，从盐湖卤水中直接提取锂是一种更具可持续性的替代方案。然而，现有的膜分离技术在选择性和可工业化扩展方面仍然存在挑战，尤其是在高效分离单价锂离子（Li⁺）与二价镁离子（Mg²⁺）方面。因此，开发具有高选择性、可规模化制造的分离膜材料成为当前研究的关键问题。

成果简介

为了解决这一问题，帝国理工学院宋启磊副教授团队在Nature Water期刊上发表了题为“Solution-processable polymer membranes with hydrophilic subnanometre pores for sustainable lithium extraction”的最新论文。

该团队设计并制备了一种具有亚纳米孔径的聚合物固有微孔（PIM）膜，并成功应用于选择性电渗析，实现了高效的锂离子分离。研究人员通过在PIM骨架中引入亲水官能团（如肟基），提高了单价碱金属离子（Li⁺、Na⁺、K⁺）的快速传输能力，同时有效抑制了二价离子的通过。

利用该膜材料，研究团队显著提高了单价/二价离子选择性，并在实验室规模的电渗析堆中验证了其在模拟盐湖卤水体系中的高效分离能力。分子动力学模拟进一步揭示了该膜在尺寸筛分、离子脱水、电荷作用及孔内扩散限制等方面的协同效应，为优化膜材料提供了理论依据。本研究突破了传统离子交换膜选择性低的问题，为锂资源的可持续提取提供了新的技术路径，也为其他战略资源的分离回收提供了借鉴。

宋启磊，伦敦帝国理工学院化学工程系副教授，帝国理工膜科学中心Barrer Centre主要研究成员。分别于2006年、2009年在东南大学能源与环境学院获得学士、硕士学位。

主要研究领域为功能纳米多孔材料及膜材料的设计合成，如微孔聚合物材料，金属-有机框架材料等，及其在能源与环境领域的功能应用等。已在Nature Materials、Nature Energy、Nature Communications等国际学术期刊上发表论文60余篇。

研究亮点

（1）实验首次开发了具有亚纳米孔隙的固体聚合物膜，并将其应用于电渗析过程中的锂提取，成功实现了对单价和双价离子的高选择性分离。

（2）实验通过引入亲水性功能基团（如氨基乙腈）到固体聚合物膜中，显著提高了膜的离子选择性，使其能够在电场驱动下快速运输单价碱金属离子（如Li+、Na+、K+），同时有效地排斥较大的双价离子（如Mg2+）。该膜在模拟盐湖卤水中表现出了优异的选择性，且对锂离子的提取效率较现有材料有所提升。

（3）实验通过分子动力学模拟，深入分析了AO-PIM-1膜中离子的传输机制，揭示了尺寸筛选、离子脱水、静电相互作用和孔内扩散的协同效应在提高离子选择性中的关键作用。

图文解读

图 1：基于离子选择性膜的电渗析锂提取过程。

图 2：孔结构与离子传导。

图 3：选择性电渗析的离子分离性能。

图 4：AO-PIM-1 膜中离子传输的分子动力学模拟。

图 5：实验室规模电渗析堆中的锂提取。

结论展望

本文通过设计具有亲水性功能基团的微孔聚合物膜，研究展示了如何通过调控狭窄的亚纳米级孔隙结构和离子–基团相互作用，实现对单价和双价离子的高选择性分离。这一设计思路不仅有效解决了传统膜材料在选择性离子分离中的瓶颈，还为提高膜性能和扩展应用提供了新的方向。尤其是在选择性电渗析过程中，亲水性基团如氨基乙腈、羧酸等对碱金属阳离子的偏好性和膜的水合作用，为高效锂提取提供了理论基础和实践路径。此外，膜材料的溶液加工性和可扩展性为工业化生产奠定了基础，未来可以在其他资源回收和水净化等领域获得广泛应用。这一研究不仅对膜材料的设计提出了新的思路，也推动了可持续分离技术的发展，助力全球循环经济的实现。

文献信息

Yang, D., Yang, Y., Wong, T. et al. Solution-processable polymer membranes with hydrophilic subnanometre pores for sustainable lithium extraction. Nat Water (2025). https://doi.org/10.1038/s44221-025-00398-8

来源：华算科技