哈工大梁恒、唐小斌教授团队在面向锂电池废液中锂资源回收的仿生抗Janus电荷结构纳滤膜领域取得重要进展

哈工大全媒体（张又元 唐小斌/文 王燕睿/图）近日，我校环境学院梁恒、唐小斌教授团队在面向锂电池废液中锂资源回收的仿生抗Janus电荷结构纳滤膜领域取得重要进展，相关研究成果以《具有抗Janus电荷结构的先进仿生锂回收纳滤膜》（Advanced biomimetic nanofiltration membranes for lithium recovery with anti-Janus charge structure）为题发表在《自然通讯》（Nature Communications）上。

针对全球锂资源短缺问题，采用对锂离子具有高选择性分选的纳滤技术，有望实现锂电池废液中锂资源的经济、高效回收。然而，在锂回收过程中，常规的荷正电纳滤膜通常呈现出Janus电荷结构——即“表面为正电荷层－底面为负电荷层”（layer-by-layer）的特殊结构，会引起反离子在层间的过度积累，长周期运行过程中极易造成膜面正电荷层局部电场被抵消，导致钴、锰等二价离子穿透纳滤膜，进而使得锂离子的分离效能低下，即所谓的“静电屏蔽”效应。

针对上述难题，梁恒、唐小斌教授团队受“沙尘暴内部正－负电荷镶嵌结构产生的电场可有效促进内部颗粒传输”电结构的启发，将常规的Janus纳滤膜（JC-NF）的“layer-by-layer”结构，设计成“point-to-point”结构，即制备一种内部电荷呈镶嵌状分布的纳滤膜，在保障锂离子高效分离的同时，避免“静电屏蔽”效应问题。基于此，该团队设计了一种具有特殊的单取代胺基和短链构型的季铵盐电解质单体（4－氨基-N,N,N-三甲基哌啶溴化物），该单体可通过“point-to-point”的方式修饰传统的聚酰胺纳滤膜，从而制备出了一种全新的具有电荷镶嵌结构的抗Janus膜（AJ-NF），所制备的纳滤膜对于锂离子选择分离性能提升了647%—904%，锂离子渗透率达到84.99%，这是因为抗Janus膜内部镶嵌状电荷结构所产生的微电场有助于锂离子的低能垒、快速传输。同时，这种“point-to-point”的修饰方法有效避免了纳滤膜在修饰过程中交联度的显著增加，使其在保持高离子分选性能的同时仍具有较高的水渗透性（20.72 L m^-2 h^-1 bar^-1）。此外，这项研究提出了一个新的锂离子分离效能评价方法——关键效率积（CEP），可更加全面、准确地评价纳滤膜的离子分选性能。未来，该方法有望推动纳滤技术在锂资源回收领域的快速发展和应用。

仿生抗Janus电荷结构纳滤膜锂资源回收机制

哈工大环境学院、城乡水资源与水环境全国重点实验室为论文第一完成单位，环境学院博士研究生王燕睿为论文第一作者，梁恒、唐小斌教授为论文通讯作者，环境学院硕士研究生张亚茹和博士研究生张盟、姜舒参与相关的研究工作。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、城乡水资源与水环境全国重点实验室课题的支持。