基于金属-有机框架材料的离子通道金属离子分离性能及机理研究

Metal ion separation is distinctly important in chemical industry and environmental protection. For instance, It is very important to extract high purity lithium ions from Na+、K+ and Mg2+ in salt-lake brines, as well as recycle of metal ions for environmental protection. Inspired by transmembrane transport in cell, artificial ion channel is quite potential in ion separation. However, construction of sub-nanometer channel is still a great challenge, and its size and chemical regulation are still unfathomed. Herein, a strategy to achieve sub-nanometer channels by assembling of MOFs at tip of micro-nano glass nanopipette or in composite matrix membrane is put forward. With architectural design of MOFs, the strategy allows ultrafine regulation of channel size and chemical modification on pore wall. Based on size effect and chemical interactions, the elaborated sub-nanometer channel can be applied for and separation of different metal ions. We will give insight into the function of aperture size and chemical interactions in metal ion separation, and reveal their relationship. Ab initio DFT calculations will also be performed to understand the detailed mechanisms at the origin of the channel-ions interactions driving the metal ion sieving. This research will finally help to understand the fundamentals of ion transmembrane transport and permselectivity in cell, and accelerate the developing of new technologies of metal ion separation.

金属离子分离在工业及环境保护领域有重要的应用价值，工业上需要将盐湖中的Li+与Na+、K+、Mg2+分离获得锂用于离子电池，环保中需要分离、回收重金属离子。通过模拟细胞的跨膜输运过程制备的人工离子通道在离子分离方面具有极大的潜力，但目前亚纳米离子通道的构筑仍是一个挑战，且孔道的尺寸和化学调控难以实现。本项目将在膜材料中及微纳毛细管尖端构筑基于纳米金属-有机框架材料（MOFs）的亚纳米离子通道。通过结构设计，合成尺寸连续可调的系列亚纳米离子通道，并对其进行化学修饰，实现对亚纳米离子通道的尺寸和化学环境的调控。利用尺寸效应和化学相互作用原理，应用于不同金属离子的分离。研究亚纳米通道孔尺寸和化学环境对分离性能的影响、及结构和化学环境与分离性能的关系。结合理论模拟，从分子水平揭示不同离子与亚纳米通道的相互作用机理。为新型亚纳米离子通道的构筑及金属离子分离技术的开发提供理论和技术支持。

通过离子离子通道设计实现金属离子传输性能调控具有重要的基础研究意义和应用价值。例如，储能器件中的金属离子传导、电子传输等过程对实现高安全性、高比能的新一代储能器件至关重要，需要通过开发可调控离子传输性能的先进能源材料来调控。具体来讲，新型固态电解质材料的开发是高性能固态电池的核心，其涉及到如何实现金属锂离子在固态电解质中的快速传导。对锂硫电池而言，如何实现锂离子的选择性透过并抑制多硫离子的穿梭效应，加速其化学转化动力学是高比能锂硫电池研究的难点。本项目通过对金属-有机框架材料（MOFs）的结构、孔道尺寸、离子传导位点、电子导电性等进行特异性设计，实现了储能器件中金属离子传导性能、电子传导能力及氧化还原反应过程的化学调控。首先，通过开发MOFs固态电解质材料，可实现金属锂离子在MOF材料中的快速传导，从而实现了高安全性的锂金属固态电池。再者，通过开发具有离子选择性的MOF功能隔膜，可以实现锂硫电池中锂离子和多硫离子的离子筛分，通过开发具有电子传导及催化活性位点的MOF催化剂材料，可以实现锂硫电池中多硫化物氧化还原反应动力学的加速，从而获得高性能锂硫电池。结合理论模拟，从分子水平揭示了锂离子在MOFs基中的传导机制、选择性离子筛分机制及限域催化转化机理。该研究为新型MOFs固态电解质、MOFs功能隔膜、锂硫电池用MOFs硫载体材料及催化转化材料的构筑及相应能源存储器件的开发提供了理论和技术支持。