用于实现一价阳离子筛分的离子通道研究进展

doi:10.19964/j.issn.1006-4990.2024-0353

摘要/Abstract

摘要：

随着一价阳离子在能源转化和储能、工业等传统产业转型升级过程中的广泛应用，一价阳离子混合物的高效分离成为重大需求。综述了基于新型分离膜材料的一价阳离子筛分技术，特别是纳米级、亚纳米级离子通道膜的设计与应用。重点分析了石墨烯、氧化石墨烯（GO）、金属有机框架（MOF）、冠醚、MXene和共价有机框架（COF）等材料在离子筛分中的创新应用，以及其在提高选择性和传输效率方面的潜力。进一步讨论了离子传输的规律性原理，如尺寸筛分、化学选择性及表面电荷等，揭示了材料结构与离子分离性能之间的内在联系。同时指出了当前面临的挑战，如膜的稳定性、规模化生产和成本效益等，并对未来研究方向进行了展望。

关键词: 离子筛分, 一价阳离子, 亚纳米级离子通道, 选择性分离, 离子膜

Abstract:

With the extensive application of monovalent cations in the transformation and upgrading of traditional industries such as energy conversion and storage，industry，the efficient separation of monovalent cation mixtures has become a significant demand.The monovalent cation sieving technology based on new separation membrane materials was reviewed，especially the design and application of nanoscale and sub-nanoscale ion channel membranes.The innovative applications of materials such as graphene，graphene oxide（GO），metal-organic framework（MOF），crown ether，MXene，and covalent organic framework（COF） in ion-sieving and their potential to improve selectivity and transport efficiency were analyzed in detail.The regular principle of ion transport，such as size screening，chemical selectivity and surface charge etc.，was further discussed，and the intrinsic relationship between material structure and ion separation performance was revealed.At the same time，the current challenges，such as membrane stability，scale production and cost-effectiveness，were pointed out，and the future research direction was prospected.

Key words: ion sieving, monovalent cation, sub-nanometer ionic channel, selective separation, ion membrane

中图分类号:

TQ131.11

姜明徽, 张立卿, 庞美晶, 刘超. 用于实现一价阳离子筛分的离子通道研究进展[J]. 无机盐工业, 2025, 57(3): 9-17.

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图/表 11

表1

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表2

表3

参考文献 52

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离子	r/nm	r₀/nm	ΔG_hyd（kJ·mol^-1）	D/（10^-9 m²·s^-1）
Li⁺	0.060	0.382	-475	1.029
Na⁺	0.095	0.358	-430	1.334
K⁺	0.133	0.331	-295	1.957
Rb⁺	0.148	0.329	-275	2.072
Cs⁺	0.169	0.329	-250	2.056
Ag⁺	0.126	0.341	-430	1.648

名称	孔径/ nm	离子分离比							运输速率/ （mol·m^-2·h^-1）
名称	孔径/ nm	n（Li⁺）/ n（K⁺）	n（Li⁺）/ n（Na⁺）	n（Li⁺）/ n（Rb⁺）	n（Na⁺）/ n （K⁺）	n（Na⁺）/ n（Li⁺）	n（K⁺）/ n（Na⁺）	n（K⁺）/ n（Li⁺）	运输速率/ （mol·m^-2·h^-1）
4CO石墨烯纳米孔^［20］	0.43~0.79						2~3
PPD交联氧化石墨烯^［23］	0.34~0.40						1.5		0.09
ZIF-8/GO/AAO膜^［7］	0.34	2.2*	1.4*	4.6*	1.6*
uio-66^［7］	0.60			1.8*
PSS@HKUST-1^［33］	0.67	67	35						6.75
聚砜（PSf）支撑石墨烯复合膜^［21］	0.60~0.70						2.61		0.66×10^-3
prGO-PNB膜^［24］							3.1*
吡啶/氧代唑啉的螺旋折叠体离子通道^［52］	0.30						16.3*
MXene珍珠母结构IGM膜^［47］		4.78	2.52						1.02
DA18C6多孔冠醚晶体^［39］	0.26				15				11.5
多孔晶体有机磺酸-氨基盐（CPOS）^［50］	0.60						31	363	94.4×10^-3
TpPa-PO₃H₂ COF膜^［51］	0.70							4.2~4.7	0.2
苯丙氨酸基团连接15冠5单元^［40］							20.1
15C5-MOFSNC^［41］	0.50				360.1	1 770.0			2.87×10^-3
LCMM^［46］	0.60	49	45	59					0.35
亚纳米孔PEI膜^［49］	0.30~0.11							6	0.412

材料类型	分离机理	化学稳定性	力学性能	经济性	功能性
石墨烯	尺寸筛分	高	强度高，韧性和拉伸强度好	较高	较低，缺少活性位点
GO	尺寸筛分	良好	脆，力学性能不足	较高	表面富含的各种含氧基团，可表面改性，调节性能
MOF	尺寸筛分，表面电荷，能量势垒，化学选择性	依赖于具体材料	水中易溶胀，因通常具有高孔隙率，强度较低	中等	具有高孔隙率，易于官能化，可调孔径
冠醚	尺寸筛分，能量势垒，分子识别与离子络合	良好，但与强酸性物质可能发生化学反应	依赖于具体材料	中等	可调节环结构
MXene	尺寸筛分，能量势垒	良好	具有很高的物理强度和良好的弹性	中等	具有丰富的表面官能团，可以进行各种化学修饰
聚合物	尺寸筛分，能量势垒，表面电荷	良好，但某些条件下（如高温、强酸强碱）不稳定	依赖于具体材料	高	可进行改性，易于加工和成型
COF	尺寸筛分，表面电荷	高	高，具有刚性	中等	易于官能化，可调孔径

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