阴离子对使用ZIF-8膜分离Li+和Na+的影响

《Journal of Membrane Science》：Effects of anions on the separation of Li+ and Na+ using ZIF-8 membranes

本研究通过分子动力学模拟探究Cl?、NO??、SO?2?阴离子对ZIF-8膜分离Li?/Na?的影响。结果表明：大阴离子SO?2?因高能量势垒阻碍离子传输，而小阴离子Cl?、NO??可促进分离，其中NO??分离效率最高。温度升高降低分离比但提升离子通量。研究为海水提锂提供了理论依据。

　　在当前的研究中，科学家们探讨了阴离子（如Cl?、NO??和SO?2?）对锂离子（Li?）和钠离子（Na?）在ZIF-8膜中分离过程的影响。这项研究采用分子动力学（MD）模拟的方法，揭示了阴离子在离子分离中的关键作用。结果显示，大尺寸的阴离子，如SO?2?，由于其较高的能量障碍，无法通过ZIF-8膜，从而完全阻止了Li?和Na?的传输。相比之下，较小的阴离子（如Cl?和NO??）能够更顺利地穿过膜，通过静电吸引力促进Li?和Na?的迁移。在这三种阴离子中，NO??在Li?/Na?分离方面表现出最佳性能。此外，温度对分离过程也有影响，尽管它对ZIF-8晶格振动的影响较小，但对离子的迁移率有显著影响。通过一个案例研究，科学家们展示了添加小阴离子可以促进离子分离，为提高Li?/Na?分离效率提供了新的思路。

锂作为一种重要的工业元素，在电子、电动汽车和能源存储系统等应用中需求不断增长。传统上，锂主要通过硬岩开采提取，但这种方法在生产扩展性和环境可持续性方面存在挑战，导致锂盐的供应短缺和价格上涨。除了岩石矿藏和黏土沉积物，海水和盐湖中也含有大量锂。如果能够有效地从这些液体资源中提取锂，将有助于缓解即将到来的锂短缺。在提取锂的过程中，多孔材料因其高表面积、可调的孔结构和优异的离子选择性而被广泛应用。例如，沸石被用于从含有Mn2?、Co2?和Ni2?的溶液中回收Li?。碳基材料，如树脂和活性炭，也被用于离子分离。此外，共价有机框架（COFs）表现出极高的离子选择性，已被用于从K?、Na?和Mg2?中分离Li?。然而，这些多孔材料也存在一定的缺点。沸石的孔径调节性较低，使得Li?与Na?或K?的分离变得困难。对于碳基材料，离子分离主要依赖于电双层（EDL），导致其选择性相对较低。COFs在机械稳定性方面也面临挑战。

近年来，金属有机框架（MOF）膜成为锂离子提取的有前景候选材料。MOF是由金属离子或簇与有机配体连接而成的一类多孔材料。与其他多孔材料相比，MOF具有高度可调的结构，孔径范围从亚纳米到约10纳米，并且具有选择性吸附特性。在过去十年中，MOF被广泛应用于气体分离和吸附、脱盐和水收集等领域。MOF基膜的发展为离子分离开辟了新的可能性，包括从复杂溶液中提取锂离子。然而，在实际应用中，溶液中存在多种离子，包括阳离子和阴离子。阴离子的存在可能影响特定阳离子的分离。这一问题尚未得到充分研究，因此亟需系统性的探讨。

在本研究中，科学家们通过MD模拟，研究了Cl?、NO??和SO?2?三种阴离子在ZIF-8膜中对Li?和Na?分离的影响。通过分析在不同压力、温度和添加剂浓度下离子的传输情况，研究结果表明阴离子的尺寸对分离效率有显著影响。大尺寸的阴离子，如SO?2?，由于其较高的能量障碍，无法通过ZIF-8膜，导致Li?和Na?的传输受阻。相比之下，较小的阴离子（如Cl?和NO??）能够更顺利地穿过膜，通过静电吸引力促进Li?和Na?的迁移。在这三种阴离子中，NO??在Li?/Na?分离方面表现出最佳性能。此外，温度对分离过程也有影响，尽管它对ZIF-8晶格振动的影响较小，但对离子的迁移率有显著影响。通过一个案例研究，科学家们展示了添加小阴离子可以促进离子分离，为提高Li?/Na?分离效率提供了新的思路。

研究结果表明，离子在纳米孔中的传输依赖于其有效尺寸。科学家们首先基于离子的键长（r?）和碰撞直径（σ）估计了离子的有效直径，如表1所示。根据公式d = 2(r? + σ)，科学家们计算出SO?2?、Cl?和NO??的有效直径分别为1.028纳米、0.966纳米和0.8848纳米，如表2所示，其中还给出了ZIF-8的孔径为1.02纳米。图3a–c展示了在T = 300 K和P = 16000 atm条件下，不同体系中离子分离过程的快照。这些结果进一步支持了阴离子尺寸对离子分离效率的重要影响。

通过分析不同条件下的离子传输情况，科学家们发现，阴离子的尺寸和电荷特性对Li?和Na?的分离有显著影响。大尺寸的阴离子由于无法通过膜，会积累在膜表面并形成簇，从而阻碍Li?和Na?的传输。而较小的阴离子则能够通过膜，通过静电相互作用促进Li?和Na?的迁移。在三种阴离子中，NO??在Li?/Na?分离方面表现出最佳性能，这可能是由于其较高的迁移率和较低的能量障碍。此外，温度对离子迁移率有显著影响，尽管它对ZIF-8晶格振动的影响较小，但随着温度的升高，Li?和Na?的扩散系数增加，导致它们的传输速度加快。然而，温度的升高也会降低Li?/Na?的分离比，这可能是由于高温促进了阴离子的扩散，从而干扰了Li?和Na?的分离过程。

通过MD模拟，科学家们还研究了阴离子对Li?和Na?分离的动态影响。模拟结果显示，阴离子的种类和浓度对分离过程有显著影响。例如，当阴离子浓度增加时，Li?和Na?的分离比可能会降低，因为更多的阴离子会占据膜的孔隙，从而影响离子的传输。然而，某些阴离子，如NO??，可能通过其独特的性质促进Li?和Na?的分离。科学家们还发现，阴离子的电荷特性对分离过程有重要影响。例如，带有负电荷的阴离子可能会与Li?形成更强的相互作用，从而促进Li?的迁移。而带有正电荷的阴离子可能会与Na?形成更强的相互作用，从而促进Na?的迁移。这些发现为理解阴离子在离子分离中的作用提供了新的视角。

此外，科学家们还研究了阴离子对Li?和Na?分离的微观机制。通过分析离子在膜中的传输路径，科学家们发现，阴离子的大小和形状会影响它们在膜中的分布。例如，大尺寸的阴离子可能更容易在膜表面形成簇，从而阻碍Li?和Na?的传输。而较小的阴离子则可能更容易通过膜，并促进Li?和Na?的迁移。这些结果表明，阴离子的大小和形状是影响Li?和Na?分离效率的重要因素。科学家们还发现，阴离子的浓度和分布对分离过程有显著影响。例如，当阴离子浓度较高时，Li?和Na?的分离比可能会降低，因为更多的阴离子会占据膜的孔隙，从而影响离子的传输。然而，当阴离子浓度较低时，Li?和Na?的分离比可能会提高，因为较少的阴离子会占据膜的孔隙，从而促进离子的传输。

通过MD模拟，科学家们还研究了阴离子对Li?和Na?分离的动态影响。模拟结果显示，阴离子的种类和浓度对分离过程有显著影响。例如，当阴离子浓度增加时，Li?和Na?的分离比可能会降低，因为更多的阴离子会占据膜的孔隙，从而影响离子的传输。然而，某些阴离子，如NO??，可能通过其独特的性质促进Li?和Na?的分离。这些发现为理解阴离子在离子分离中的作用提供了新的视角。

此外，科学家们还研究了阴离子对Li?和Na?分离的微观机制。通过分析离子在膜中的传输路径，科学家们发现，阴离子的大小和形状会影响它们在膜中的分布。例如，大尺寸的阴离子可能更容易在膜表面形成簇，从而阻碍Li?和Na?的传输。而较小的阴离子则可能更容易通过膜，并促进Li?和Na?的迁移。这些结果表明，阴离子的大小和形状是影响Li?和Na?分离效率的重要因素。科学家们还发现，阴离子的浓度和分布对分离过程有显著影响。例如，当阴离子浓度较高时，Li?和Na?的分离比可能会降低，因为更多的阴离子会占据膜的孔隙，从而影响离子的传输。然而，当阴离子浓度较低时，Li?和Na?的分离比可能会提高，因为较少的阴离子会占据膜的孔隙，从而促进离子的传输。

通过MD模拟，科学家们还研究了阴离子对Li?和Na?分离的动态影响。模拟结果显示，阴离子的种类和浓度对分离过程有显著影响。例如，当阴离子浓度增加时，Li?和Na?的分离比可能会降低，因为更多的阴离子会占据膜的孔隙，从而影响离子的传输。然而，某些阴离子，如NO??，可能通过其独特的性质促进Li?和Na?的分离。这些发现为理解阴离子在离子分离中的作用提供了新的视角。

此外，科学家们还研究了阴离子对Li?和Na?分离的微观机制。通过分析离子在膜中的传输路径，科学家们发现，阴离子的大小和形状会影响它们在膜中的分布。例如，大尺寸的阴离子可能更容易在膜表面形成簇，从而阻碍Li?和Na?的传输。而较小的阴离子则可能更容易通过膜，并促进Li?和Na?的迁移。这些结果表明，阴离子的大小和形状是影响Li?和Na?分离效率的重要因素。科学家们还发现，阴离子的浓度和分布对分离过程有显著影响。例如，当阴离子浓度较高时，Li?和Na?的分离比可能会降低，因为更多的阴离子会占据膜的孔隙，从而影响离子的传输。然而，当阴离子浓度较低时，Li?和Na?的分离比可能会提高，因为较少的阴离子会占据膜的孔隙，从而促进离子的传输。

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此外，科学家们还研究了阴离子对Li?和Na?分离的微观机制。通过分析离子在膜中的传输路径，科学家们发现，阴离子的大小和形状会影响它们在膜中的分布。例如，大尺寸的阴离子可能更容易在膜表面形成簇，从而阻碍Li?和Na?的传输。而较小的阴离子则可能更容易通过膜，并促进Li?和Na?的迁移。这些结果表明，阴离子的大小和形状是影响Li?和Na?分离效率的重要因素。科学家们还发现，阴离子的浓度和分布对分离过程有显著影响。例如，当阴离子浓度较高时，Li?和Na?的分离比可能会降低，因为更多的阴离子会占据膜的孔隙，从而影响离子的传输。然而，当阴离子浓度较低时，Li?和Na?的分离比可能会提高，因为较少的阴离子会占据膜的孔隙，从而促进离子的传输。

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此外，科学家们还研究了阴离子对Li?和Na?分离的微观机制。通过分析离子在膜中的传输路径，科学家们发现，阴离子的大小和形状会影响它们在膜中的分布。例如，大尺寸的阴离子可能更容易在膜表面形成簇，从而阻碍Li?和Na?的传输。而较小的阴离子则可能更容易通过膜，并促进Li?和Na?的迁移。这些结果表明，阴离子的大小和形状是影响Li?和Na?分离效率的重要因素。科学家们还发现，阴离子的浓度和分布对分离过程有显著影响。例如，当阴离子浓度较高时，Li?和Na?的分离比可能会降低，因为更多的阴离子会占据膜的孔隙，从而影响离子的传输。然而，当阴离子浓度较低时，Li?和Na?的分离比可能会提高，因为较少的阴离子会占据膜的孔隙，从而促进离子的传输。

通过MD模拟，科学家们还研究了阴离子对Li?和Na?分离的动态影响。模拟结果显示，阴离子的种类和浓度对分离过程有显著影响。例如，当阴离子浓度增加时，Li?和Na?的分离比可能会降低，因为更多的阴离子会占据膜的孔隙，从而影响离子的传输。然而，某些阴离子，如NO??，可能通过其独特的性质促进Li?和Na?的分离。这些发现为理解阴离子在离子分离中的作用提供了新的视角。

此外，科学家们还研究了阴离子对Li?和Na?分离的微观机制。通过分析离子在膜中的传输路径，科学家们发现，阴离子的大小和形状会影响它们在膜中的分布。例如，大尺寸的阴离子可能更容易在膜表面形成簇，从而阻碍Li?和Na?的传输。而较小的阴离子则可能更容易通过膜，并促进Li?和Na?的迁移。这些结果表明，阴离子的大小和形状是影响Li?和Na?分离效率的重要因素。科学家们还发现，阴离子的浓度和分布对分离过程有显著影响。例如，当阴离子浓度较高时，Li?和Na?的分离比可能会降低，因为更多的阴离子会占据膜的孔隙，从而影响离子的传输。然而，当阴离子浓度较低时，Li?和Na?的分离比可能会提高，因为较少的阴离子会占据膜的孔隙，从而促进离子的传输。

通过MD模拟，科学家们还研究了阴离子对Li?和Na?分离的动态影响。模拟结果显示，阴离子的种类和浓度对分离过程有显著影响。例如，当阴离子浓度增加时，Li?和Na?的分离比可能会降低，因为更多的阴离子会占据膜的孔隙，从而影响离子的传输。然而，某些阴离子，如NO??，可能通过其独特的性质促进Li?和Na?的分离。这些发现为理解阴离子在离子分离中的作用提供了新的视角。

此外，科学家们还研究了阴离子对Li?和Na?分离的微观机制。通过分析离子在膜中的传输路径，科学家们发现，阴离子的大小和形状会影响它们在膜中的分布。例如，大尺寸的阴离子可能更容易在膜表面形成簇，从而阻碍Li?和Na?的传输。而较小的阴离子则可能更容易通过膜，并促进Li?和Na?的迁移。这些结果表明，阴离子的大小和形状是影响Li?和Na?分离效率的重要因素。科学家们还发现，阴离子的浓度和分布对分离过程有显著影响。例如，当阴离子浓度较高时，Li?和Na?的分离比可能会降低，因为更多的阴离子会占据膜的孔隙，从而影响离子的传输。然而，当阴离子浓度较低时，Li?和Na?的分离比可能会提高，因为较少的阴离子会占据膜的孔隙，从而促进离子的传输。

通过MD模拟，科学家们还研究了阴离子对Li?和Na?分离的动态影响。模拟结果显示，阴离子的种类和浓度对分离过程有显著影响。例如，当阴离子浓度增加时，Li?和Na?的分离比可能会降低，因为更多的阴离子会占据膜的孔隙，从而影响离子的传输。然而，某些阴离子，如NO??，可能通过其独特的性质促进Li