隨著全球能源結(jié)構(gòu)向綠色低碳轉(zhuǎn)型加速，鋰已成為動力電池及儲能領(lǐng)域的關(guān)鍵戰(zhàn)略資源。我國鹽湖鹵水鋰資源儲量豐富，但普遍存在高鎂鋰比分離難度大的問題，嚴(yán)重制約其高效開發(fā)。當(dāng)前，膜分離技術(shù)特別是電滲析工藝雖在鹽湖提鋰中展現(xiàn)出潛力，但其核心膜材料仍依賴進(jìn)口，且難以完全適應(yīng)我國鹽湖鹵水復(fù)雜的離子體系，成為制約產(chǎn)業(yè)自主化的重要瓶頸。

二維納米通道薄膜因其可調(diào)控的層間結(jié)構(gòu)獨(dú)特的離子傳輸機(jī)制，在離子選擇性分離領(lǐng)域備受關(guān)注。然而，石墨烯、MXene等材料面臨成本高、規(guī)?；苽潆y的挑戰(zhàn)。在“十四五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃青年科學(xué)家項(xiàng)目（編號：2022YFC2906300）、國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（編號：52374275）、湖北省自然科學(xué)基金杰出青年項(xiàng)目（編號：2023AFA084）的支持下，趙云良教授團(tuán)隊(duì)以天然蒙脫石為原料，利用其易剝離的特性制備二維蒙脫石納米片，并重組裝成二維蒙脫石薄膜（2D-MMTM），系統(tǒng)評價(jià)其在電滲析過程中的鋰鎂分離性能。通過XRD、SEM、AFM及電化學(xué)測試等手段，揭示了薄膜的結(jié)構(gòu)特征與分離機(jī)制。結(jié)果表明，2D-MMTM具有優(yōu)異的鋰鎂選擇性穩(wěn)定性抗?jié)獠顦O化能力，為低成本、高性能鹽湖提鋰膜材料的開發(fā)提供了新策略。

二維蒙脫石薄膜表征

（1）形貌特征。二維蒙脫石納米片刮涂制備的二維蒙脫石薄膜樣品尺寸為4 cm×5 cm。薄膜在大幅度彎折后，不發(fā)生斷裂，有良好的柔韌性和機(jī)械強(qiáng)度。薄膜厚度均在109 μm左右，具有良好的均一性。如圖1所示，薄膜表面具有連續(xù)、致密的片層覆蓋，無可見裂紋或孔洞缺陷，存在細(xì)小褶皺，表面均勻。蒙脫石納米片在底膜表面逐層堆疊，形成了明顯的二維層狀堆疊結(jié)構(gòu)。

（a）薄膜表面SEM

（b）薄膜截面SEM

圖1 二維蒙脫石薄膜樣品的SEM圖

（2）粗糙度。薄膜表面的2D AFM圖像表現(xiàn)出微小褶皺結(jié)構(gòu)，其表面的平均粗糙度（）為80.1 nm，如圖2所示。

（a）2D

（b）3D

圖2 二維蒙脫石薄膜表面的AFM圖像

（3）水穩(wěn)定性。薄膜在水溶液中浸泡15 d后未發(fā)生分解和形狀變化，具有良好的穩(wěn)定性。如圖3所示，初期，薄膜由于水分子的滲透發(fā)生溶脹，溶脹度逐步增加到3.6%，3 h后維持穩(wěn)定，且在48 h的時(shí)間內(nèi)未發(fā)生變化，為其在水溶液中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的鋰鎂分離奠定應(yīng)用基礎(chǔ)。

（a）薄膜浸泡水中的光學(xué)圖片

（b）溶脹度

圖3 二維蒙脫石薄膜的水中穩(wěn)定性

二維蒙脫石薄膜的鋰鎂分離性能

（1）針對試驗(yàn)鹵水的鋰鎂分離選擇性。根據(jù)西臺吉乃爾鹽湖鹵水鋰鎂離子濃度配制試驗(yàn)鹵水，不同電壓條件下二維蒙脫石薄膜的離子分離性能如圖4所示。隨著電壓的增加，鎂離子傳輸速率始終呈現(xiàn)上升的趨勢，而鋰離子傳輸速率呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。當(dāng)電壓設(shè)置為7 V時(shí)，薄膜的鋰離子傳輸速率最大，為0.162 mol/(mh)，此時(shí)薄膜的鋰鎂分離選擇性可以達(dá)到14.45。

（a）鋰離子傳輸速率

（b）鎂離子傳輸速率

（c）選擇性

圖4 不同電壓條件下二維蒙脫石薄膜的離子分離性能

（2）針對典型模擬鹽湖鹵水的鋰鎂分離性能。選取3種典型鹽湖鹵水的模擬鹵水進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見表1、圖5?？梢钥吹?，二維蒙脫石薄膜在不同鹽濃度和鎂鋰比鹵水中的鋰鎂分離選擇性均可以達(dá)到10以上，說明該薄膜在不同環(huán)境的鹽湖鹵水中均具有較好的鋰鎂分離性能。

表1 不同鹵水離子含量與鎂鋰質(zhì)量比

（a）鋰離子傳輸速率

（b）鎂離子傳輸速率

（c）選擇性

圖5 不同鹵水中二維蒙脫石薄膜的離子分離性能

（3）與商業(yè)膜的對比。如表2所示，CIMS膜和CSO膜在鎂鋰比為60.00和20.70的鹵水中分離選擇性分別為12.48和10.00，而二維蒙脫石薄膜在與上述鎂鋰比接近的鹵水中分離選擇性均優(yōu)于商業(yè)薄膜，性能優(yōu)勢突出。

表2 二維蒙脫石薄膜與報(bào)道商業(yè)膜性能對比

機(jī)理模型

得益于蒙脫石天然吸水特性，二維蒙脫石內(nèi)更加豐富的水通道有利于降低膜面濃差極化現(xiàn)象。此外，鋰鎂離子受二維蒙脫石薄膜通道高度限制，鋰離子相較鎂離子更易去水化通過薄膜，從而實(shí)現(xiàn)選擇性鋰鎂分離。值得注意的是，相較于商業(yè)膜依賴于離子基團(tuán)親和力實(shí)現(xiàn)離子分離的特征，這種依賴于通道尺寸實(shí)現(xiàn)鋰鎂分離的結(jié)構(gòu)特征，則更有利于降低膜面濃差極化現(xiàn)象，提高其應(yīng)用性能。

（a）二維蒙脫石薄膜

（b）CIMS商業(yè)膜

圖6 2D-MMTM和CIMS商業(yè)膜分離機(jī)理

主要結(jié)論

（1）采用天然層狀黏土礦物蒙脫石制備了一種新型的二維蒙脫石鋰鎂分離薄膜，薄膜具有良好的均一性和有序的層狀堆疊結(jié)構(gòu)，且薄膜長期浸泡在水溶液中厚度基本不發(fā)生變化，穩(wěn)定性良好。

（2）二維蒙脫石薄膜鋰鎂分離選擇性優(yōu)異，對我國不同類型的典型鹽湖原鹵的鋰鎂分離選擇性均在10以上，其中對于西臺吉乃爾鹽湖原鹵的鋰鎂選擇性可以達(dá)到14.45，性能優(yōu)于商業(yè)電滲析薄膜。

（3）蒙脫石天然的親水特性賦予了薄膜豐富的水環(huán)境，有利于削弱薄膜表面離子的濃差極化現(xiàn)象。此外，二維蒙脫石薄膜的通道高度為0.53 nm，較鋰鎂離子的水合直徑更小，離子需脫水通過薄膜，而鋰離子因具有更低的脫水能壘，較鎂離子更易于通過薄膜，從而實(shí)現(xiàn)鋰鎂離子的高選擇性分離。

作者簡介

趙云良

武漢理工大學(xué)

教授、博士研究生導(dǎo)師

國家高層次青年人才、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃首席青年科學(xué)家、湖北省杰青、湖北省首批青年拔尖人才。主要從事礦物精深加工與高值利用、礦物功能材料、鹽湖戰(zhàn)略資源利用、固廢資源化等方面研究。以第一和通訊作者在Advanced Materials、ACS Nano、Water Research等期刊發(fā)表SCI論文120余篇，包括ESI熱點(diǎn)4篇、高被引11篇。近10年以“蒙脫石”為主題發(fā)表SCI論文全球排名第1。以第一著者出版國內(nèi)外第一部二維蒙脫石學(xué)術(shù)專著（科學(xué)出版社），申請專利70余項(xiàng)，已授權(quán)35項(xiàng)，4項(xiàng)專利已轉(zhuǎn)化實(shí)施。第一完成人獲中國非金屬礦科學(xué)技術(shù)獎一等獎、中國建筑材料科學(xué)技術(shù)獎二等獎等獎項(xiàng)。兼任中國非金屬礦行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任、中國非金屬礦工業(yè)協(xié)會專家委員會委員、中國硅酸鹽學(xué)會礦物材料分會理事、Interdisciplinary Materials期刊（中科院1區(qū)）學(xué)術(shù)編輯等。

《金屬礦山》簡介

《金屬礦山》由中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司和中國金屬學(xué)會主辦，主編為中國工程院王運(yùn)敏院士，現(xiàn)為北大中文核心期刊、中國科技論文統(tǒng)計(jì)源期刊（中國科技核心期刊）、中國精品科技期刊（F5000頂尖學(xué)術(shù)論文來源期刊）、中國百強(qiáng)報(bào)刊、RCCSE中國核心學(xué)術(shù)期刊（A）、中國期刊方陣雙百期刊、國家百種重點(diǎn)期刊、華東地區(qū)優(yōu)秀期刊，被美國化學(xué)文摘（CA）、美國劍橋科學(xué)文摘（CSA）、波蘭哥白尼索引（IC）、日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)庫（JST）等世界著名數(shù)據(jù)庫收錄。主要刊登金屬礦山采礦、礦物加工、機(jī)電與自動化、安全環(huán)保、礦山測量、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域具有重大學(xué)術(shù)價(jià)值或工程推廣價(jià)值的研究成果，優(yōu)先報(bào)道受到國家重大科研項(xiàng)目資助的高水平研究成果。

責(zé)編：楊 婷

編排：余思晨

審核：王小兵

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