用于实现一价阳离子筛分的离子通道研究进展
收稿日期: 2024-06-21
网络出版日期: 2024-07-13
基金资助
国家自然基金项目(52100088);西部绿色建筑国家重点实验室培育基地开放研究基金项目(LSKF201807)
Research progress of ion channels for achieving monovalent cation sieving
Received date: 2024-06-21
Online published: 2024-07-13
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。
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 . DOI: 10.19964/j.issn.1006-4990.2024-0353
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.
| 1 | SWAIN B.Recovery and recycling of lithium：A review［J］.Separation and Purification Technology，2017，172：388-403. |
| 2 | RAZMJOU A， ASADNIA M， HOSSEINI E，et al.Design principles of ion selective nanostructured membranes for the extraction of lithium ions［J］.Nature Communications，2019，10（1）：5793. |
| 3 | 张宝，梁祯，张雁南，等.废旧锂离子电池正极材料回收研究进展［J］.中国材料进展，2024，43（5）：380-391，407. |
| ZHANG Bao， LIANG Zhen， ZHANG Yannan，et al.Research progress on cathode material recycling of waste lithium-ion batteries［J］.Materials China，2024，43（5）：380-391，407. | |
| 4 | LANG Jialiang， JIN Yang， LIU Kai，et al.High-purity electrolytic lithium obtained from low-purity sources using solid electrolyte［J］.Nature Sustainability，2020，3：386-390. |
| 5 | TANG Chao， BRUENING M L.Ion separations with membranes［J］.Journal of Polymer Science，2020，58（20）：2831-2856. |
| 6 | LU Jun， ZHANG Huacheng， HOU Jue，et al.Efficient metal ion sieving in rectifying subnanochannels enabled by metal-organic frameworks［J］.Nature Materials，2020，19（7）：767-774. |
| 7 | ZHANG Huacheng， HOU Jue， HU Yaoxin，et al.Ultrafast selective transport of alkali metal ions in metal organic frameworks with subnanometer pores［J］.Science Advances，2018，4（2）：eaaq0066. |
| 8 | CHENG Yaxiong， DONG Yuhua， HUANG Qinggang，et al.Ionic transport and sieving properties of sub-nanoporous polymer membranes with tunable channel size［J］.ACS Applied Materials & Interfaces，2021，13（7）：9015-9026. |
| 9 | SUN Zhanhu， BARBOIU M， LEGRAND Y M，et al.Highly selective artificial cholesteryl crown ether K+-channels［J］.Angewandte Chemie，2015，127（48）：14681-14685. |
| 10 | FONSECA J， GONG Tenghua， JIAO Li，et al.Metal-organic frameworks（MOFs） beyond crystallinity：Amorphous MOFs，MOF liquids and MOF glasses［J］.Journal of Materials Chemistry A，2021，9（17）：10562-10611. |
| 11 | O′SHAUGHNESSY M， GLOVER J， HAFIZI R，et al.Porous isoreticular non-metal organic frameworks［J］.Nature，2024，630（8015）：102-108. |
| 12 | ZHAO Wanling， DENG Jinqiong， REN Yan，et al.Antibacterial application and toxicity of metal-organic frameworks［J］.Nanotoxicology，2021，15（3）：311-330. |
| 13 | HOU Jue， ZHANG Huacheng， SIMON G P，et al.Polycrystalline advanced microporous framework membranes for efficient separation of small molecules and ions［J］.Advanced Materials，2020，32（18）：e1902009. |
| 14 | KOROTCENKOV G， TOLSTOY V P.Current trends in nanomaterials for metal oxide-based conductometric gas sensors：Advantages and limitations-part 2：Porous 2D nanomaterials［J］.Nanomaterials，2023，13（2）：237. |
| 15 | QIU Hu， ZHOU Wanqi， GUO Wanlin.Nanopores in graphene and other 2D materials：A decade′s journey toward sequencing［J］.ACS Nano，2021，15（12）：18848-18864. |
| 16 | ZHANG Huacheng， LI Xingya， HOU Jue，et al.Angstrom-scale ion channels towards single-ion selectivity［J］.Chemical Society Reviews，2022，51（6）：2224-2254. |
| 17 | BROWN E E B， WOLTORNIST S J， ADAMSON D H.PolyHIPE foams from pristine graphene：Strong，porous，and electrically conductive materials templated by a 2D surfactant［J］.Journal of Colloid and Interface Science，2020，580：700-708. |
| 18 | BANHART F， KOTAKOSKI J， KRASHENINNIKOV A V.Structural defects in graphene［J］.ACS Nano，2011，5（1）：26-41. |
| 19 | HUMPLIK T， LEE J， O′HERN S C，et al.Nanostructured materials for water desalination［J］.Nanotechnology，2011，22（29）：292001. |
| 20 | HE Zhongjin， ZHOU Jian， LU Xiaohua，et al.Bioinspired graphene nanopores with voltage-tunable ion selectivity for Na+ and K+ ［J］.ACS Nano，2013，7（11）：10148-10157. |
| 21 | LI Siying， LEE J H， HU Qicheng，et al.Scalable graphene composite membranes for enhanced ion selectivity［J］.Journal of Membrane Science，2018，564：159-165. |
| 22 | 白露，王敏，杨红军，等.氧化石墨烯改性聚酰胺膜研究进展［J］.无机盐工业，2021，53（10）：15-21. |
| BAI Lu， WANG Min， YANG Hongjun，et al.Research progress of graphene oxide modified polyamide membrane［J］.Inorganic Chemicals Industry，2021，53（10）：15-21. | |
| 23 | JIA Zhiqian， WANG Yan， SHI Weixing，et al.Diamines cross-linked graphene oxide free-standing membranes for ion dialysis separation［J］.Journal of Membrane Science，2016，520：139-144. |
| 24 | HU Jiaqi， LIU Zhuang， DENG Ke，et al.A novel membrane with ion-recognizable copolymers in graphene-based nanochannels for facilitated transport of potassium ions［J］.Journal of Membrane Science，2019，591：117345. |
| 25 | KITCHAMSETTI N， CHO J S.A roadmap of MOFs derived porous carbon，oxides，chalcogenides，and phosphides of metals：Synthesis，properties，parameter modulation and their utilization as an electrode for Li/Na/K-ion batteries［J］.Journal of Energy Storage，2024，84：110947. |
| 26 | 陈心怡，张华，方伟，等.金属有机框架材料在天然气纯化和存储领域的应用［J］.无机盐工业，2023，55（4）：13-19. |
| CHEN Xinyi， ZHANG Hua， FANG Wei，et al.Application of metal-organic frameworks in fields of natural gas purification and storage［J］.Inorganic Chemicals Industry，2023，55（4）：13-19. | |
| 27 | GUPTA K M， QIAO Zhiwei， ZHANG Kang，et al.Seawater pervaporation through zeolitic imidazolate framework membranes：Atomistic simulation study［J］.ACS Applied Materials & Interfaces，2016，8（21）：13392-13399. |
| 28 | SHAHID M U， NAJAM T， ISLAM M，et al.Engineering of metal organic framework（MOF） membrane for waste water treatment：Synthesis，applications and future challenges［J］.Journal of Water Process Engineering，2024，57：104676. |
| 29 | KUAN A T， LU Bo， XIE Ping，et al.Electrical pulse fabrication of graphene nanopores in electrolyte solution［J］.Applied Physics Letters，2015，106（20）：203109. |
| 30 | HUA Weikang， ZHANG Tonghui， WANG Min，et al.Hierarchically structural PAN/UiO-66-（COOH）2 nanofibrous membranes for effective recovery of Terbium（Ⅲ） and Europium（Ⅲ） ions and their photoluminescence performances［J］.Chemical Engineering Journal，2019，370：729-741. |
| 31 | RAMASWAMY P， WONG N E， GELFAND B S，et al.A water stable magnesium MOF that conducts protons over 10（-2） S cm （-1）［J］.Journal of the American Chemical Society，2015，137（24）：7640-7643. |
| 32 | LI Jianrong， SCULLEY J， ZHOU Hongcai.Metal-organic frameworks for separations［J］.Chemical Reviews，2012，112（2）：869-932. |
| 33 | GUO Yi， YING Yulong， MAO Yiyin，et al.Polystyrene sulfonate threaded through a metal-organic framework membrane for fast and selective lithium-ion separation［J］.Angewandte Chemie（International Ed），2016，55（48）：15120-15124. |
| 34 | GOKEL G W， LEEVY W M， WEBER M E.Crown ethers：Sensors for ions and molecular scaffolds for materials and biological models［J］.Chemical Reviews，2004，104（5）：2723-2750. |
| 35 | PEDERSEN C J.Cyclic polyethers and their complexes with metal salts［J］.Journal of the American Chemical Society，1967，89（26）：7017-7036. |
| 36 | FROMM K M， BERGOUGNANT R D， ROBIN A Y.Di-benzo-18-crown-6 and its derivatives as ligands in the search for ion channels［J］.Zeitschrift Für Anorganische und Allgemeine Chemie，2006，632（5）：828-836. |
| 37 | 艾欣，董琪，豆叶帆，等.冠醚功能化改性及其对金属离子分离研究进展［J］.无机盐工业，2024，56（6）：14-25. |
| AI Xin， DONG Qi， DOU Yefan，et al.Research progress of functionalization and modification of crown ether and its application in metal ion separation［J］.Inorganic Chemicals Industry，2024，56（6）：14-25. | |
| 38 | FROMM K M， BERGOUGNANT R D.Transport properties of solid state crown ether channel systems［J］.Solid State Sciences，2007，9（7）：580-587. |
| 39 | YE Tingyan， HOU Gaolei， LI Wen，et al.Artificial sodium-selective ionic device based on crown-ether crystals with subnanometer pores［J］.Nature Communications，2021，12（1）：5231. |
| 40 | JIN Lei， SUN Chang， LI Zhongyan，et al.A K+-selective channel with a record-high K+/Na+selectivity of 20.1［J］.Chemical Communications，2023，59（24）：3610-3613. |
| 41 | LU Jun， JIANG Gengping， ZHANG Huacheng，et al.An artificial sodium-selective subnanochannel［J］.Science Advances，2023，9（4）：eabq1369. |
| 42 | NAGUIB M， MOCHALIN V N， BARSOUM M W，et al.25th anniversary article：MXenes：A new family of two-dimensional materials［J］.Advanced Materials，2014，26（7）：992-1005. |
| 43 | NAGUIB M， KURTOGLU M， PRESSER V，et al.Two-dimensional nanocrystals：Two-dimensional nanocrystals produced by exfoliation of Ti3AlC2（adv.mater.37/2011）［J］.Advanced Materials，2011，23（37）：4207. |
| 44 | ANASORI B， LUKATSKAYA M R， GOGOTSI Y.2D metal carbides and nitrides（MXenes） for energy storage［J］.Nature Reviews Materials，2017，2（2）：16098. |
| 45 | DING Li， LI Libo， LIU Yanchang，et al.Effective ion sieving with Ti3C2T x MXene membranes for production of drinking water from seawater［J］.Nature Sustainability，2020，3：296-302. |
| 46 | HUANG Lingzhi， WU Haoyu， DING Li，et al.Shearing liquid-crystalline MXene into lamellar membranes with super-aligned nanochannels for ion sieving［J］.Angewandte Chemie（International Ed），2024，63（6）：e202314638. |
| 47 | XIN Weiwen， LIN Chao， FU Lin，et al.Nacre-like mechanically robust heterojunction for lithium-ion extraction［J］.Matter，2021，4（2）：737-754. |
| 48 | WANG Pengfei， WANG Mao， LIU Feng，et al.Ultrafast ion sieving using nanoporous polymeric membranes［J］.Nature Communications，2018，9（1）：569. |
| 49 | GUO Zaichao， LI Fujin， WU Xuanxuan，et al.Efficient ion sieving and ion transport properties in sub-nanoporous polyetherimide membranes［J］.Desalination，2024，573：117192. |
| 50 | XIN Weiwen， FU Jingru， QIAN Yongchao，et al.Biomimetic KcsA channels with ultra-selective K+ transport for monovalent ion sieving［J］.Nature Communications，2022，13（1）：1701. |
| 51 | WANG Hongjian， ZHAI Yeming， LI Yang，et al.Covalent organic framework membranes for efficient separation of monovalent cations［J］.Nature Communications，2022，13（1）：7123. |
| 52 | CHEN Feng， SHEN Jie， LI Ning，et al.Pyridine/oxadiazole-based helical foldamer ion channels with exceptionally high K+/Na+ selectivity［J］.Angewandte Chemie（International Ed），2020，59（4）：1440-1444. |
/
| 〈 |
|
〉 |
