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苏州大学晏成林，钱翊钧Advanced Materials：具有亚1 nm高电荷通道的亚胺连接三维COF膜实现高效筛分锂离子

能源学人 · 公众号 · · 2025-01-21 07:51

正文

第一作者：Tong Wu

通讯作者：钱翊钧*，晏成林*

单位：苏州大学能源学院

【研究背景】

在新型多孔材料膜的亚纳米孔道中将离子排斥和相互作用筛选结合起来，具有实现高效离子筛分的巨大潜力，特别是在高性能锂离子提取方面。为实现这一目标，已有各种先进膜的报道，但性能一般，操作复杂。共价有机框架（COF）材料因其结构可调、稳定性优异及功能多样，在离子筛分领域展现出巨大潜力。特别是具有亚纳米级通道和高电荷特性的COF膜，能实现对锂离子的高效筛分。本研究聚焦于开发以亚胺键连接的三维COF膜，该膜具有规则的亚纳米级高电荷通道，为锂离子筛分提供了理想结构。该膜材料的成功开发，有望推动锂离子分离性能的进一步提升，为能源转换与存储技术带来突破。

【文章简介】

近日，来自苏州大学的晏成林教授和钱翊钧博士，在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“Imine-Linked 3D Covalent Organic Framework Membrane Featuring Highly Charged Sub-1 nm Channels for Exceptional Lithium-Ion Sieving”的文章。该研究通过简单的溶剂热方法制备连续完整的亚胺连接三维共价有机框架（即COF-300）膜，并利用其内在互连的亚1 nm一维通道实现了卓越的锂离子筛分。

图1. a） COF-300的正视图和b）斜视图，显示了相互连接的密集1D通道。c） COF-300的侧视图，显示了沿1D通道排列的胺基团。d、 e）COF-300 1D纳米通道的简化模型。COF-300的亚纳米入口可以筛选离子进行选择性离子分离，1D通道上排列的带负电荷的胺基可以放大Li ⁺ 和Mg ²⁺ 之间的离子传输行为。

【本文要点】

要点一：溶剂热方法制备连续完整的3D-COF膜

本文通过简单的溶剂热方法制备连续和完整的亚胺连接的三维共价有机框架(即COF-300)膜，并采用内在互连的亚1 nm一维通道进行优异的锂离子筛选，从而解决了性能一般且操作复杂的问题。

要点二：0.78 nm 孔道精准筛分Li ⁺ 与Mg ²⁺ ，实现超高选择性

本文所合成的膜具有大约0.78 nm的高电荷埃级尺寸通道，实现了优异的Li ⁺ 通量(0.123 mol m ^-2 h ^-1 )，在二元体系中具有36的超高Li ⁺ /Mg ²⁺ 选择性。实验测试和理论计算表明，恰好在Li ⁺ 和Mg ²⁺ 水合直径之间的通道尺寸能够限制Mg ²⁺ 的渗透。

要点三：亚胺基团强化Li ⁺ 渗透，高效屏蔽Mg ²⁺ ，兼具长期稳定性

同时，与亚胺基团的离子亲和相互作用进一步加强了Li ⁺ 快速渗透，且严重抑制Mg ²⁺ 通过。特别地，合成的三维共价有机框架膜在长期操作测试中也具有显著的分离性能，且不牺牲Li ⁺ 通量，在高盐度水环境下表现出高化学稳定性和机械完整性。

要点四：前瞻

本文提出并验证了一种创新的膜材料——亚胺键连接的三维共价有机框架（COF）膜，该膜的特征在于拥有高度带电且尺寸小于1 nm的通道，专为卓越的锂离子筛分设计。这一研究成果预示着在锂离子分离领域的重大进展，尤其是在提高离子选择性、离子通量以及膜的循环稳定性。通过精确调控膜材料的结构和电荷特性，该研究为实现更高效、更可靠的离子筛分提供了全新的策略，有望引领下一代新型膜材料的开发潮流。此外，该膜材料在极端环境（如高盐度水环境）下的稳定性和长期操作性能，也为其在更广泛领域的应用奠定了坚实的基础。

Tong Wu, Yijun Qian, Zebin Zhu, Weihao Yu, Lifang Zhang, Jie Liu, Xiaowei Shen, Xi Zhou, Tao Qian, Chenglin Yan, Imine-Linked 3D Covalent Organic Framework Membrane Featuring Highly Charged Sub-1 nm Channels for Exceptional Lithium-Ion Sieving, Advanced Materials, https://doi.org/10.1002/adma.202415509

通讯作者简介

钱翊钧博士苏州大学能源学院讲师，于2022年12月取得博士学位。2023年加入晏成林教授团队。以第一作者或共同通讯作者在 J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater等国际期刊以第一作者或通讯作者身份发表学术论文10余篇。研究方向：废旧锂离子电池的有价金属高值回收及其回收新方法的探索。

晏成林教授现任常州大学副校长，教授/博士生导师，国家“万人计划”科技创新领军人才，国家科技部中青年科技创新领军人才，英国皇家化学会会士。共发表 SCI 论文近300篇，其中在 Nat. Catal., Adv. Mater., Nat. Commun. 等期刊发文超过100篇。2篇入选中国百篇最具影响国际学术论文，18篇入选ESI高被引论文，论文被引用18000余次，H-index为73。多项研究工作被 Science, Nat. Rev. Mater., Nat. Nanotechnol., Science daily、Chemistry world 等期刊和学术媒体选作亮点报道或评述。

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