基于钽酸盐钙钛矿的二维纳米通道中基于摩擦差异的碱金属离子分离

为何简单盐的分离突然变得重要

为电动汽车供电和储存可再生能源的电池高度依赖锂，这种金属通常被困在含盐水中，与钠、钾等极为相似的“邻居”共存。现有的过滤器难以将这些几乎相同的离子区分开来，导致能源和资源浪费。本文报道了一种新型超薄膜，它不是按离子的尺寸或电荷来分离，而是根据离子在埃级通道中滑动时的“光滑度”——即摩擦特性来区分，为从盐卤中更清洁、更高效地生产锂提供了一条新途径。

从静态筛网到动态世界的过滤器

大多数离子分离技术像精确尺寸的筛子或带电的网：利用离子的大小、带电强度或亲水性。然而，这种策略对锂、钠和钾这样的碱金属离子失效，因为它们带相同的电荷且水合半径几乎无法区分——差异比通道壁上原子的自然抖动还小。因此，许多当前的人造纳米通道在区分这些离子时选择性比低于十。作者认为，与其关注静态属性，不如围绕一种动态特性来设计膜：离子在受限空间中移动时所遇到的摩擦。

构建超有序的滑动通道

为将摩擦转化为分拣工具，研究者们用一种层状材料——钽酸盐钙钛矿制备了膜。通过将这种晶体剥离成超薄、高均一性的纳米片并精确堆叠，他们形成了内部通道仅6–9埃宽的膜——只有几原子跨，并在长距离上保持对齐。在该晶格内自然产生两种不同的通道形态：充满薄层水的鱼骨状通道和基本上干燥的之字形通道。由于通道沿线的原子排列和化学基团极为规则，它们提供了一个可控的能景，使得每种离子与壁面的相互作用微小差别能够转化为不同程度的滑动阻力。

让摩擦来完成分拣

实验证明，在原始的钽酸盐膜中，锂和钾离子的通过速度远高于钠——在二元混合物中约快30到50倍——尽管三者带相同电荷。计算机模拟和纳米摩擦学测量指明了原因：在充水的鱼骨状通道中，钾和锂在纳牛顿量级下的摩擦显著低于钠。通道的周期性结构将这些摩擦差异放大，超出了经典扩散定律的预测，使得微小的阻力变化转化为巨大的传输率差异。当团队扰乱通道有序性或加入破坏通路的聚合物时，非凡的选择性大多消失，强调了受控摩擦而非简单的尺寸或吸附主导了该效应。

切换通道以专门针对锂

由于膜中还包含具有不同相互作用模式的之字形通道，作者探讨是否可以重新引导离子以偏向锂而非钾。通过插入有效封堵低摩擦鱼骨通路的薄氧化石墨烯层，他们将离子迫使进入更高阻力的之字形通道。在那里，摩擦景观发生翻转：锂现在面对的阻力明显低于钠或钾。经钽酸盐与氧化石墨烯按适当比例工程化的复合膜实现了约28倍的锂/钾分离因子，同时仍允许相对快速的离子流动。结构测量证实在这些复合膜中鱼骨状通道大多被封闭，而在锂通过时之字形通道优先扩张。

走向来自真实盐卤的更清洁锂

为测试实际相关性，团队将其膜应用于以智利阿塔卡马盐沼为模型的模拟盐卤，该盐沼是锂的重要天然来源，同时含有大量钠、钾、镁和钙。在分级工艺中，先用商业纳滤步骤去除大部分多价离子，然后一系列钽酸盐和钽酸盐–氧化石墨烯膜依次剥离钠和钾。经过这些阶段，溶液中的锂比例从不到4%提高到超过95%。通过在产量与选择性之间突破通常的权衡，并以可调的摩擦而非几乎无法区分的尺寸为分离基础，这项工作勾勒出一种新的膜设计原则，有望帮助确保锂及其他关键离子的可持续供应以支撑清洁能源未来。

引用: Ai, X., Zhu, L., Cui, F. et al. Friction-differentiated separation of alkali ions through two-dimensional nanochannels based on niobate perovskite. Nat Commun 17, 3415 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71579-6

关键词: 锂提取, 离子选择性膜, 纳米流体学, 钙钛矿纳米通道, 基于摩擦学的分离