伟德国际1946源于英国纪志永教授团队与阿卜杜拉国王科技大学（King Abdullah University of Science and Technology）赖志平教授团队合作，近期于国际知名期刊Progress in Materials Science（影响因子40.0）发表题为Lithium selective membranes for direct lithium extraction from complex brine的综述文章，这是在团队在10余年锂选择性提取分离研究基础上的进一步发展，为高效提锂膜材料发展提供借鉴。该文章第一作者为郭志远副教授（准聘），通讯作者为纪志永教授。

背景：

在新能源产业变革中，战略性锂资源的高效开发具有重要意义。膜分离技术因其绿色环保、易于连续化操作等优势，被视为极具前景的提锂路径（图1）。然而，如何开发出高选择性膜，以直接应用于盐湖原卤、油气田采出水等复杂卤水体系，仍是当前面临的核心挑战。该文章深度剖析了锂选择性膜的开发现状及面临的问题，为锂选择性膜材料发展提供借鉴。

图1 锂资源开发背景及膜分离提锂技术发展

内容：

文章系统综述了近年来锂离子选择性膜的研究进展，依据膜材料组成及其主导的分离机制，将现有锂选择性膜归纳为三类：基于亲和力差异的有机膜、基于尺寸筛分的无机膜，以及基于复合机制的复合膜（图2）。

图2 锂选择性膜分类

（1）基于尺寸筛分的无机膜材料

主要介绍了无机固态电解质膜材料在锂选择性提取方面的应用。无机固态电解质（ISSEs）因其高离子导电性和优越的安全性能，被认为是全固态锂电池的理想材料。ISSEs中的离子运输是通过空位或间隙机制进行的，其晶格空位或间隙的限域效应使得其表现出高的Li⁺选择性。用于锂提取中的锂选择性膜（LSMs）、的ISSEs有三种类型：LISION型、钙钛矿型和石榴石型。

基于ISSEs的无机膜表现出了超高的锂选择性，使得能够从盐水、油气田产出水甚至海水等复杂来源中直接提取锂。然而，仍有若干挑战需要进一步探索：(1) ISSEs膜的制造过程复杂且费时费力，通常需要专用设备，并在大规模生产中存在困难；(2) 为提高锂提取效率，研究人员通常努力通过减薄膜厚度来降低离子质量传递阻力。然而，基于ISSE的无机膜本质上脆性大，减薄常导致机械强度下降。因此，在降低离子传输阻力的同时保持机械完整性，是一个重要的设计挑战；(3) 不同晶体固体电解质对锂提取性能的影响及其潜在机制仍未得到充分研究。

（2）基于亲和力差异的有机膜

由于有机膜具有高柔韧性和离子电导率，它们在锂提取方面引起了广泛关注。其中，聚合物单价选择性离子交换膜被广泛用于锂回收。然而，由于Li（3.82 Å）、Na（3.58 Å）和K（3.31 Å）的水合离子半径和理化性质相似，从原盐水中实现高选择性提取锂面临挑战。基于有机萃取剂的液-液萃取技术可根据有机功能基团与金属离子之间不同的结合能实现高锂选择性。然而，萃取剂在盐水中的溶解限制了其应用。为了缓解这一问题，研究人员提出使用支撑液膜、聚合物包埋膜或离子印迹膜，以尽量减少萃取剂有机相与进料溶液水相的混合。

重点介绍了基于离子液体、磷酸酯、冠醚等聚合物膜材料在提锂方面的选择性机制和应用。有机膜易于制备，通过官能团与Li⁺亲和力调控可实现锂的选择性提取，但它们的锂选择性仍不理想，尤其是在处理低锂浓度的原料（如海水和产出水）时。此外，其长期稳定性仍然是一个挑战。

（3）基于混合机制的复合膜

基于无机ISSE的膜具有显著的锂选择性，但由于制造复杂、易碎且成本高等问题，其实际应用受到限制。相比之下，有机膜加工更为简便，但锂选择性不足，尤其在Li-Na-K分离场景中更为明显。因此，各种高锂选择功能材料，包括LISs、MOFs和ISSEs，与聚合物或多孔基材相结合，开发出高性能复合膜，能够在从盐水中选择性分离锂的同时，表现出增强的机械耐久性。

文中讨论对比了各类锂选择性功能填料的选择性分离机理及性能，并重点指出无机固态电解质材料在实现高选择性锂提取方面具有显著潜力与发展前景（图3）。

图3 不同功能材料提锂性能及机理对比

结论和展望：

该论文从锂选择性、通量、柔韧性及制备便捷性等维度，系统对比了三类锂选择性膜的性能特点（图4a），认为复合膜在多项性能之间实现了良好平衡，展现出显著的发展潜力。文章进一步展望了锂选择性复合膜的未来研究方向（图4b），主要包括以下三方面：在功能填料结构设计中，应注重取向调控，以构建具有短路径、高密度的高效锂离子传输通道；在聚合物基体方面，可通过官能团的结构修饰，调控其类型与带电状态，在维持高选择性的同时提升锂离子通量；在膜材料界面调控中，需强化功能填料与柔性基体之间的键合作用，以增强膜结构稳定性，保障其在长期运行中的锂选择性性能。

图4 锂选择性膜性能对比及潜在的研究方向

该工作得到了国家自然科学基金和河北省自然科学基金支持。

作者简介：

第一作者

郭志远，准聘副教授，中国化工学会无机酸碱盐领域智库专家。研究方向为海/卤水资源综合利用，主要面向锂、溴、钾等高附加值资源的高效选择性提取，重点围绕吸附/电化学吸附、膜分离核心技术，开展功能材料设计开发与过程强化研究。主持国家自然科学基金、河北省自然科学基金等项目3项，参与国家级和省部级项目5项；获河北省自然科学二等奖（3/5）；以第一/通讯作者身份在Prog. Mater. Sci.、J. Membr. Sci.、Desalination、ACS Sustain. Chem. Eng.、Sep. Purif. Technol.等期刊发表论文10余篇；申请发明专利13件，已授权5件。

通讯作者：

纪志永，教授，博士生导师。2007年于天津大学化学工程专业获博士学位后入职伟德国际1946源于英国至今，现任海水资源高效利用化工技术教育部工程研究中心主任兼1946伟德国际源自英国副院长。河北省政府特殊津贴专家、教学名师、首批青年拔尖人才和“三三三人才工程”人选，山东省泰山产业领军人才，江苏省科技副总，以及河北省杰出青年科学基金获得者等。现为伟德国际1946源于英国国家一流专业建设点“海洋技术”专业负责人、特色博硕学科/方向“海洋化学工程与技术”带头人，全国石油和化工教育优秀教学团队带头人。兼任中国海洋学会海水资源利用专委会委员，中国化工学会工业水处理专委会委员、无机酸碱盐专委会委员，中国膜工业协会电驱动膜专委会委员、新能源膜专委会委员等；石化工业水处理国家工程实验室第一届技术委员会委员、河北省膜产业技术研究院专家指导委员会委员；《Desalination and Water Treatment》《材料导报》《工业水处理》《盐湖研究》编委等。

主要研究方向：（1）海水/卤水及浓盐水综合利用（淡化脱盐，钾、锂、溴等分离提取与纯化）；（2）含盐废水处置（K、Li、Br等回收，高级氧化，盐差能/氢能挖掘）与水质基准；（3）选择吸附与膜分离及电极材料设计开发。主持国家自然科学基金联合基金重点项目和国家重点研发计划课题等；获河北省技术发明一等奖、自然科学二等奖，天津市科技进步一等奖和二等奖等，以及中国产学研合作创新奖（个人）等。