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

Abstract

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

CLC Number:

TQ131.11

JIANG Minghui, ZHANG Liqing, PANG Meijing, LIU Chao. Research progress of ion channels for achieving monovalent cation sieving[J]. Inorganic Chemicals Industry, 2025, 57(3): 9-17.

Figures/Tables 11

Table 1

Fig.1

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Fig.3

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Fig.6

Fig.7

Fig.8

Table 2

Table 3

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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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