哈工大邵路教授团队《Engineering》：“两面神”电荷结构高效离子分离膜

点击上方“蓝字” 一键订阅

英国皇家化学会会士、中国化工学会分子辨识分离工程专委会委员、哈尔滨工业大学邵路教授带领团队提出新方法制备了兼具高单价离子渗透选择性和高阳离子通量的单价选择性阳离子交换膜。相关论文以标题Monovalent Cation Exchange Membranes with Janus Charged Structure for Ion Separation发表在中国工程院院刊《Engineering》。邵路教授为唯一通讯作者，论文第一作者为哈尔滨工业大学化工与化学学院博士生王文广。

图1：具有Janus电荷结构单价选择性阳离子交换膜的分离原理、膜表面结构和目前的单价选择性阳离子交换膜的“Upper Bound”示意图近年来，电子产品、电动汽车、可充电锂离子电池等新能源产业的发展极大地拉升锂原料市场需求，使全球对锂资源需求不断增加，锂资源成为重要战略资源。我国盐湖水中锂资源储量丰富，若对盐湖锂资源进行高效提取，将有助于推动新能源产业发展并提高我国锂电池及下游产业链的国际竞争力。单价选择性阳离子交换膜可应用于单价/多价离子分离，并且具有更高锂镁分离性能的单价选择性阳离子交换膜已经成为电渗析提锂的有希望的候选者。然而，目前单价选择性阳离子交换膜普遍存在选择层稳定性差、渗透选择性低和阳离子通量低等问题，这会显著增加电渗析过程能耗。因此，制备具有高阳离子通量、高渗透选择性且高稳定的单价选择性阳离子交换膜仍然是亟需解决的课题，这对盐湖高效提锂具有重要的意义。邵路团队开发了一种新型表面改性方法构建具有两面神电荷结构的单价选择性阳离子交换膜。一方面，具有丰富阳离子交换基团的基膜可有效抑制阴离子反向扩散，这确保了膜具有高阳离子通量。另一方面，正电荷选择层可通过增加Donnan效应提高单价/多价阳离子的渗透选择性。在钠镁体系和锂镁体系中均具有高阳离子通量和高分离选择性（钠镁体系为145.77，锂镁体系为14.11）。此外，该研究发现，由于膜表面双电层（Mg²⁺层）在高电流密度下被破坏，这导致渗透选择性随着电流密度的增加而逐渐降低。这对实际工业应用具有指导意义。

 图2 (a) M-TMA-0.15 wt.% 在不同电流密度下的渗透选择性、归一化Na⁺通量和归一化Mg²⁺通量, (b) M-TMA-0.15 wt.%在不同电流密度下的渗透选择性、归一化Li⁺通量和归一化Mg²⁺通量, (c) 双电层分离机理图，(d) 单价选择性阳离子交换膜的钠离子通量与钠镁渗透选择性的“Upper Bound”上限图

选择性电渗析（SED）系统的产品室(Product chamber)具有电荷守恒的特性，因此可以用于富集浓缩二价离子。其中，SED的电荷守恒特性可用于研究单价选择性阳离子交换膜的分离性能和分离机理。膜在SED的产品室中离子的总电荷量并未发生改变，这说明膜可以有效抑制阴离子的反向扩散（阴离子反向扩散会导致阳离子通量降低以及阳离子电流效率降低）。因此，具有丰富阳离子交换基团的基膜和荷正电选择层的膜结构对于提升膜分离性能（阳离子通量和渗透选择性）具有非常重要的意义。

图3 (a) 选用Pristine CEM、(b) 选用M-TMA-0.15 wt.%、(c) 选用TFCM作为SED中的单价选择性膜时，进料室、产品室和盐水室电导率随时间的变化图，(d) 选用Pristine CEM、(e) 选用M-TMA-0.15 wt.%、(f) 选用TFCM作为SED中的单价选择性膜时，进料室、产品室和盐水室中Na⁺浓度、Mg²⁺浓度随时间的变化图, (g) 不同膜的渗透选择性和阳离子通量(电流密度10 mA·cm^-2), (h) TFCM膜离子分离机理, (i) M-TMA-0.15 wt.%离子分离机理

本工作得到国家自然科学基金(21878062)、黑龙江省杰出青年科学基金(JQ2020B001)、黑龙江头雁团队(HITTY-20190033)、城市水资源与环境国家重点实验室（哈尔滨工业大学）开放课题项目(QA202127)的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.eng.2021.09.020

作者介绍

向上滑动阅览

邵路教授为英国皇家化学会会士、中国化工学会分子辨识分离工程专委会委员、黑龙江省杰出青年科学基金获得者，任领域内多个国际权威期刊的副主编（Advanced Composites & Hybrid Materials）、顾问编委（ACS ES&T Engineering）及编委（Journal of Membrane Science, Advanced Membranes、Scientific Reports）等职务。邵路教授团队长期从事膜材料与膜分离的研究，先后在碳捕集气膜、耐有机溶剂分离膜、水处理纳滤/超滤/微滤及特种分离膜方向取得了系列突破性成果并在多个企业规模化应用，为习近平总书记“绿水青山就是金山银山”的思想和我国“碳达峰、碳中和”的庄严承诺提供先进的技术支撑。邵路教授曾获得黑龙江省自然科学二等奖1项（第一）、黑龙江省自然科学一等奖1项（第二）等多项省部级奖项，已经作为通讯/第一作者在PNAS、Science Advances、Nature Communications、Energy Environmental Science、Journal of Membrane Science、Chemical Engineering Science、AIChE J.、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、ACS Nano等领域内高影响力国际期刊发表论文150余篇，SCI引用8200次，H-index=55。

邵路教授链接:

http://homepage.hit.edu.cn/shaolu  

相关进展

哈工大邵路教授团队Science子刊：界面“分子焊接”构筑“双料”高效COFs纳滤膜

哈工大邵路教授课题组ACS AMI：MOF个头有问题？打点多巴胺！助力碳捕集！

哈工大邵路教授等ACS Nano：可规模化超浸润膜实现超快油水分离

哈工大邵路教授课题组JMCA综述：面向可持续CO2捕集的聚氧乙烯基气体分离膜研究进展

哈尔滨工业大学邵路教授团队：高效CO2分离复合膜的界面性能调控揭示新型纳米复合材料界面评价体系

南京工业大学陈虹宇教授与哈尔滨工业大学邵路教授合作：新方法让纳米材料组装合成“指哪长哪”

高分子科技原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：[e-mail]

诚邀投稿

欢迎专家学者提供稿件（论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等）至[e-mail]，并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送，并同时发布在中国聚合物网上。

欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求，陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群，也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群，全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。

申请入群，请先加审核微信号PolymerChina （或长按下方二维码），并请一定注明：高分子+姓名+单位+职称（或学位）+领域（或行业），否则不予受理，资格经过审核后入相关专业群。

点

这里“阅读原文”，查看更多