近日，海南大学黄玮/张明鑫团队针对高浓度混合盐溶液分离这一世界性难题，创新性地研发出一种新型超分子基离子分离膜（18C6-COF），在实现高通量的同时，保持了卓越的离子选择性。

  2026年2月4日，相关研究成果以“Supramolecular-Based Ion Separation Membranes for Direct Separation of Concentrated Mixed-Salt Solutions”为题发表在化学顶级期刊《JACS》上。

【研究背景】

  在海水淡化、盐湖提锂及工业废水零排放等领域，高浓度混合盐的高效分离至关重要。然而，传统离子选择性膜（ISMs）在处理高浓盐水时面临巨大挑战：机制失效：在高浓度环境下，离子竞争加剧，膜孔易受干扰，电荷作用被屏蔽，导致选择性严重衰减；通量瓶颈：强结合位点虽然能增强识别，但常因离子脱附困难、迁移阻力大而牺牲通量。

【核心创新】

图1: 18C6-COF双通道分离膜的设计及结构

1. 构筑“超分子双通道”机制

  受生物离子通道启发，团队将具有单价离子亲和性的18-冠-6（18C6）大环化合物共价嵌入共价有机框架（COF）的一维纳米通道中，构建了并行的两种通道：超分子识别通道：负责阳离子的精准识别与低阻力传递；自由传输通道：由大环隔离而成，促进阴离子的快速迁移。这种空间与时间上的传输分离，显著降低了离子干扰，实现了选择性与通量的同步提升。

2. 模拟生物“敲击机制”（Knock-on Mechanism）

  研究发现，18C6-COF膜内部连续排列的离子结合位点使得离子迁移类似于“牛顿摆”运动 ：离子通过冠醚环的γ-弛豫（扭转运动）进行迁移，无需经历完全的脱水-再水合过程；这种低能垒的传输方式，使膜在强结合环境下仍能保持极高的离子通量。

图2： 离子跨膜传输机制及其论证

【性能表现】

  18C6-COF膜在高盐环境下表现出“反常”的优异性能，展现了极强的环境适应性：

• 超高选择性：在1 M高浓度盐溶液中， K⁺/Mg²⁺选择性高达254.7。

• 超高通量：相比0.1 M稀溶液，K⁺通量在1 M浓度下提升了44.1倍，达到2403 mmol m^-2 h^-1。

• 复杂体系应用：在总盐度高达270 g/L的多元混合盐中，依然保持优异的分离能力，展现了在卤水直接提钾、提锂方面的应用潜力。

图3： 分离膜的离子选择性传输行为

【总结与展望】

  本研究通过超分子工程策略，突破了高浓度混合盐分离中“选择性与通量”难以兼得的行业瓶颈。该技术不仅为开发下一代高性能离子分离膜提供了新思路，也为从盐湖浓盐水中直接提取锂离子资源提供了极具潜力的解决方案。

论文信息：

  第一作者：李成成

  通讯作者：张明鑫&黄玮

  其他合作作者：李燊，王婷，钟雅洁，田新龙

  致谢：国家自然科学基金（52403088, 52162012）、海南省南海新星(NHXXRCXM202305)，上海同步辐射光源——BL16B1线站

  论文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.5c16874