一、文章概述

Li+/mg2+的分離由于其化學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)相似，其分離一直是鋰萃提中的一個(gè)遺留問題。這里，一個(gè)二維(2d)層流膜Li+選擇性運(yùn)輸通道通過疊加MXene納米片的引入聚（4-苯乙烯磺酸鈉）(PSS)活性磺酸網(wǎng)站，展示優(yōu)秀的Li+選擇性離子混合溶液Na+，K+和Mg2+。Li+通過MXene@PSS復(fù)合膜的滲透率高達(dá)0.08molm-2h-1，而Li+/Mg2+、Li+/Na+和Li+/K+的選擇性分別為28、15.5和12.7。結(jié)合模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們進(jìn)一步證實(shí)了部分脫水的Li+在亞納米通道內(nèi)的高選擇性快速轉(zhuǎn)運(yùn)可以歸因于精確控制的層間間距和相對較弱的離子端(-so3-)相互作用。本研究加深了對離子在封閉通道中的選擇性滲透的理解，提供了一個(gè)具有特定識別的通用膜設(shè)計(jì)概念，可應(yīng)用于傳感器、生物膜模塊、納米流體器件等。

二、圖文導(dǎo)讀

圖1.Li+在MXene/PSS復(fù)合膜中的快速輸運(yùn)亞納米通道的圖表示意圖。

圖2.a)單分子層MXene納米片的AFM圖像。比例尺：500nm，插入：沉積在AAO襯底上的MXene納米片的掃描電鏡圖像。比例尺：1μm。b)MXene納米片的TEM圖像。比例尺：200nm，插入：去除背景噪聲后通過反FFT和FFT模式生成的圖像。c)MXene@PSS膜橫截面的SEM和TEM圖像。比例尺：10μm。并給出了元素分布和層間間距的分析。d)原始MXene膜和MXene@PSS膜在干、濕狀態(tài)下的XRD結(jié)果的比較。

圖3.MXene@PSS復(fù)合膜在單鹽溶液和混合鹽溶液體系中的離子滲透作用。a)MXene@PSS復(fù)合膜中與PSS相關(guān)的離子滲透速率和過選擇性。b)MXene@PSS膜的長期穩(wěn)定性。c)PMM和MXene@PSS復(fù)合膜在0.2M氯化鋰和0.2MMn+Cln混合溶液中的二元離子選擇性的比較，插入：在Li+/Na+、Li+/K+和Li+/Mg2+混合溶液中單離子和二元離子選擇性的比較。d)不同膜的滲透速率與滲透選擇性的關(guān)系。Li+/Mg2+（環(huán)）、Li+/Na+（三角形）和Li+/K+（矩形）的滲透選擇性。

圖4.理論計(jì)算分析。a)細(xì)胞膜中的離子選擇性轉(zhuǎn)運(yùn)示意圖。步驟1：脫水并進(jìn)入層間間距，步驟2：具有不同離子官能團(tuán)相互作用的亞納米通道內(nèi)的部分水合離子擴(kuò)散。b）M1中的原始亞納米通道（0.65nm）（頂部）和M2中的封閉亞納米通道（0.59nm）（底部）和M3中的修飾亞納米通道（0.59nm）（中間）的可視化結(jié)構(gòu)圖。c)不同MXene通道中水合離子端基團(tuán)的離子水化數(shù)和相互作用能的研究。e)Li+選擇性滲透行為的定量圖。歸一化參數(shù)等于離子與端基相互作用能絕對值的比值。

三、全文總結(jié)

綜上所述，通過用磺酸基活性位點(diǎn)修飾PSS的鏈聚合物，制備了一種MXene@PSS復(fù)合膜。一方面，MXene@PSS復(fù)合膜可以阻斷大尺寸的水合Mg2+，同時(shí)通過調(diào)整層間間距，允許小尺寸的單價(jià)水合離子(Li+)的運(yùn)輸。另一方面，由于Na+和K+的差異選擇能力，附加PSS的磺酸基團(tuán)為Li+的快速運(yùn)輸提供了跳躍位點(diǎn)。此外，這種MXene@PSS復(fù)合膜在水溶液中可以保持良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，其對Li+/Mg2+的選擇性分離性能，二元選擇性為25，超過了目前大部分的二維層狀膜。它們對Li+/Na+和Li+/K+也具有特殊的篩分性能。通過模擬計(jì)算，驗(yàn)證了受限通道大小和化學(xué)環(huán)境對離子滲透行為的協(xié)調(diào)機(jī)理。因此，膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念進(jìn)一步擴(kuò)展了二維層狀膜在Li+回收、精密組件（人工腎臟和視網(wǎng)膜）、傳感器（多離子濃度探測器）、納米流體器件（鹽發(fā)電、離子二極管器件）等領(lǐng)域的應(yīng)用。

文章鏈接：

https://doi.org/10.1002/anie.202108801

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