实现高选择性的锂离子筛分，对于解决锂资源短缺等难题具有重要意义。然而，由于锂离子与钠、钾、镁、钙离子等其他多种竞争离子在尺寸和价态等性质上相近，从高浓度溶液中精准提取锂离子面临极大的挑战。尽管已有多种膜材料被开发用于实现锂离子的选择性透过，但其选择性远不能满足海水提锂的需求。

针对这一问题，青岛能源所仿生能源界面技术研究中心高军研究员与青岛大学隋坤艳教授、刘学丽副教授团队开展合作研究，成功开发出一种可精准截留锂，同时传输其他阳离子的膜材料，其锂离子选择性接近完美。研究团队考虑到水中锂离子的迁移速率明显低于钾、钠等竞争离子，且具有最低的电迁移率，因此，通过截留锂离子、同时传导竞争离子的方式，从理论上能够实现更高的锂离子选择性筛分。

基于以上，研究团队构筑了一种随机取向的共价有机框架（COF）基分离膜，该膜的孔径不利于锂离子透过，并且其表面磺酸基团不利于锂离子结合，从而实现了极高选择性的锂离子截留。该研究利用垂直排列的纳米片阵列作为基底，诱导COF的垂直取向生长，并通过与COF原生水平取向生长的竞争作用，诱导实现COF微晶区之间的无规取向排列。晶界的扭曲产生尺寸< 0.3 nm的极窄孔径，对锂离子传输形成极大的空间位阻。

进一步研究发现，磺酸基团可特异性提高钾、钠离子通量，但对锂离子的通量提升效果有限。综合分析表明，随机取向导致的极窄孔径与磺酸基团的协同效应是该COF基膜材料具有极高钾/锂、钠/锂选择性的内在原因。该膜在允许钾、钠离子以可观的通量跨膜输运的同时，可实现对锂离子完全的截留（低于电感耦合等离子质谱仪对锂离子的检测限）。

图1 随机取向COF基分离膜的制备与表征

考虑到锂离子具有最低的电迁移率，研究团队在上述研究的基础上，进一步结合电渗析技术，通过调控电场强度实现钠、钾、镁、钙四种竞争离子的跨膜输运及锂离子的完全截留。实验证明，在电渗析条件下，钾、钠离子的通量随着电压的升高而逐渐增加，在3 V电压下达到10 mol h^-1 m^-2以上。当将电压提高到4.5 V时，多种竞争离子（钠、钾、镁、钙离子）高通量传输的同时，锂离子的通量却保持为零，最终实现了近乎完美选择性的锂离子筛分，并成功应用于真实盐湖卤水中锂离子的精准提取。研究成果可为随机取向COF基膜材料的设计和应用提供新思路，并有望启发其他高值稀有元素的高效分离。

图2 电渗析实现竞争离子的高通量传输及锂离子的完全截留

上述研究成果以“Randomly oriented covalent organic framework membrane for selective Li⁺ sieving from other ions”为题发表于Nat. Commun.。文章第一作者为青岛能源所联合培养硕士生包世文及青岛能源所博士后马曌宇。研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、自主部署强基计划等项目的支持。（文/图 高军、包世文）

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-59188-1