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文献分享 | 日本神户大学松山秀人/代立恒教授团队AS:两阶段界面聚合工程重构聚酰胺纳米层用于精准锂/镁分离

2026-03-02 17:05:36

第一作者：Shuzhen Zhao

通讯作者：代立恒, 松山秀人（Hideto Matsuyama）

通讯单位：日本神户大学（Kobe University）

https://doi.org/10.1002/advs.74368

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新能源发展推动锂需求激增，盐湖卤水占全球锂资源的约66%，是重要的战略资源，但其镁锂比（Mg²⁺/Li⁺）通常超过50，且Li⁺和Mg²⁺的水合半径仅相差约0.5 Å，使得传统提取方法面临巨大挑战。纳滤膜技术因连续操作、能耗低、化学品用量少等优势，成为从复杂卤水中提锂的研究热点。然而，常规哌嗪（PIP）与均苯三甲酰氯（TMC）界面聚合制备的聚酰胺（PA）纳滤膜通常带负电，难以仅靠Donnan效应区分一价和二价离子；而强正电膜虽能有效排斥Mg²⁺，却也会阻碍Li⁺透过，导致锂回收率低。两阶段界面聚合是调控PA网络结构和表面化学的有效手段，但面临两大关键问题：一是初始PA层需足够稳定，以防后续改性导致结构疏松；二是需保留充足活性位点（即未水解的酰氯基团）以支持二次反应。

本文基于两阶段界面聚合策略，成功开发了一种结构-荷电协同调控的重构型PA纳滤膜。首先，系统研究了不同基底（聚醚砜PES、聚砜PSF、聚酮PK）对PIP吸附-扩散行为的影响，发现PK基底因其优异的亲水性和较大孔径，能显著提高PIP吸附量并促进均匀扩散，从而形成高交联度、结构致密的初始PA层。随后，在第二阶段引入自主设计的双齿季铵盐单体（QP），通过选用非水溶剂（乙醇）有效抑制酰氯水解，保留大量活性位点，使QP成功接枝到PA网络中。乙醇诱导的适度溶胀与QP的双齿交联协同作用，形成了亚纳米级孔径且孔径分布更均一的选择层，同时季铵基团赋予膜表面适度正电荷。优化后的PA-QPE膜在Li⁺/Mg²⁺分离中表现出优异性能：Mg²⁺截留率>97%，Li⁺/Mg²⁺分离因子超过60，水通量较未改性膜提升约2.5倍。在Mg²⁺/Li⁺质量比高达60、总盐浓度6000 ppm的极端条件下，分离因子仍稳定在60–70之间。两段纳滤集成工艺进一步将Li⁺富集近60倍，同时将Mg²⁺/Li⁺比从60:1降至0.026:1，在模拟东台吉乃尔盐湖卤水中也验证了其实际应用潜力。该研究为高选择性锂镁分离纳滤膜的设计提供了可规模化的分子级调控新策略。

图文导读

结论

本研究通过两阶段界面聚合策略，成功实现了聚酰胺纳滤膜的结构与荷电协同调控。通过优化基底性质稳定初始PA层，并选用非水溶剂保留活性位点，将双齿季铵盐单体QP成功接枝，构建了亚纳米级孔径与适度正电荷协同作用的选择层。所得PA-QPE膜在Li⁺/Mg²⁺分离中表现出分离因子>60、水通量提升2.5倍的优异性能，在极端盐湖卤水条件下仍保持稳定。两段纳滤工艺可实现锂的高效富集与镁的高效去除。该策略为高选择性离子分离膜的分子工程设计提供了新思路。

文献信息

Shuzhen Zhao, Liheng Dai*, Feidong Yang, Bowen Li, Pengfei Zhang, Yanyan Liu, Mengyang Hu, Kecheng Guan, Ryosuke Takagi, Hideto Matsuyama*, Reconstructed Polyamide Nanolayers via Two-Stage Interfacial Polymerization Engineering for Precise Ion Sieving. Advanced Science, 2026; 0:e74368.

原文链接：

https://doi.org/10.1002/advs.74368

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