王海辉教授，魏嫣莹研究员，Angew：限域通道+化学环境协同实现锂离子快速传输- 大数跨境

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王海辉教授，魏嫣莹研究员，Angew：限域通道+化学环境协同实现锂离子快速传输

科学材料站

2021-08-19

导读：该文章通过实验探究结合理论模拟的手段证实了限域尺寸和化学环境两者协同作用对离子传输以及目标离子选择性分离的影响规律，为后续二维材料膜在离子的选择性分离领域提供了指导和理论支撑。

文章信息

层状MXene (Ti3C2Tx)/PSS复合膜用于锂离子选择性分离

第一作者：卢纵，吴颖

通讯作者：魏嫣莹*，王海辉*

单位：华南理工大学，清华大学

文章简介

近日，华南理工大学的魏嫣莹研究员与清华大学的王海辉教授合作，在国际权威期刊Angewandte Chemie International Edition 上发表题为“A Lamellar MXene (Ti3C2Tx)/PSS Composite Membrane for Fast and Selective Lithium-Ion Separation”的通讯文章。

该文章通过实验探究结合理论模拟的手段证实了限域尺寸和化学环境两者协同作用对离子传输以及目标离子选择性分离的影响规律，为后续二维材料膜在离子的选择性分离领域提供了指导和理论支撑。

图1. 限域二维MXene通道与化学环境对离子选择性分离示意图。

本文要点

要点一：有效限域通道的构建

利用自交联手段对二维材料膜的层间距进行抗溶胀控制，稳定二维通道。通过后修饰PSS链状聚合物对层间通道进行微调，在保证截留性能的同时获得理想尺寸的限域通道，并且后修饰的链状聚合物含有丰富的磺酸根（-SO3-）为限域通道提供了特异性的化学环境，通过限域通道以及化学环境的协同作用，实现对锂离子的快速传输以及对其它离子的有效截留。

该膜对二元混合离子溶液（Li+/Na+, Li+/K+, Li+/Mg2+）展现出优秀的Li+选择性，Li+渗透速率为0.08 mol m-2 h-1, Li+/Mg2+, Li+/Na+, Li+/K+选择性分别为28，15.5，12.7。

要点二：模拟计算佐证限域通道与化学环境的协同作用

通过模拟计算对不同尺寸下限域通道内的离子水合状态以及化学环境对离子输运的影响进行探究，为离子在限域条件下的水合状态提供了理论参考，并且证明了限域通道结合特异化学环境后，对水合离子的选择性传输有何种影响。为后续限域环境下的离子选择性运输行为提供了理论支撑。

图2. 理论计算分析。a) 膜中离子选择性传输的示意图。步骤一：脱水进入层间通道，步骤二：部分水合态离子通过离子-官能团相互作用在亚纳米通道内扩散。b) 自交联前的亚纳米通道的结构示意图M1 (0.65 nm)（顶部）和 M2（自交联后亚纳米通道-0.59 nm）（底部）和 M3（含有 –SO3- 的0.59 nm亚纳米通道）（中间）。c)离子的水合数和 d) 不同 MXene 通道中水合离子与末端基团的相互作用能模拟结果。e) Li+选择性量化渗透行为（归一化参数为离子与磺酸基之间相互作用能的绝对值之比）。

要点三：展望

当前对二维限域通道的了解和研究仍然有限，这也是未来二维材料膜研究的突破口，由于二维材料大多数含有含氧官能团，在溶液中及其容易产生溶胀现象，扩张膜通道，损坏膜结构，丧失分离性能。

因此，如何有效控制二维材料膜的溶胀效应，并将通道尺寸与通道内化学环境相结合，来考虑两者的协同效应对分离体系的影响是后续研究过程中需要着重研究的重点。

有效构筑二维离子选择性分离通道，对后续精密原件（人工肾脏和视网膜）、传感器（多离子浓度检测器）、纳米流体装置（离子二极管）的研究和制备有重要的指导意义。

文章链接

A Lamellar MXene (Ti3C2Tx)/PSS Composite Membrane for Fast and Selective Lithium-Ion Separation

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202108801

通讯作者介绍

魏嫣莹研究员。

2008年博士毕业于华南理工大学，2013年入选德国洪堡学者。2015年被华南理工大学引进回国，2017年入选广东省杰出青年，2018年入选青年珠江学者，2020年获得国家优秀青年基金。现任华南理工大学化学与化工学院博士生导师，主要研究方向包括无机膜分离（二维材料膜、MOF膜、混合导体膜）和催化膜反应器。她以第一或通讯作者身份在国际化学、化工领域权威期刊Nature sustainability, Nature Communications, Science Advances, Angewante Chemie International Edit, JACS, AIChEJ.等期刊发表SCI论文46篇，部分成果入选Angew. Chem. Int. Ed.期刊卷首插页，AIChE J.期刊年度Top Cited文章，J. Mater. Chem. A年度热点论文，ESI高被引论文等。合作完成英文专著（Wiley出版）一本，合作申请中国发明专利33项，授权12项。相关成果被Science 正面引用、《物理化学学报》Highlight 报道，同时也被美国科学促进会(AAAS)旗下 EurekAlert、美国纳米科技网Nanowerk、Wiley-VCH 旗下Advanced Science News、Chemistry Views 等 15 家媒体先后报道。

王海辉教授。

2003年博士毕业于中国科学院大连化学物理研究所，同年入选德国洪堡学者。2007年被华南理工大学引进回国，同年入选教育部新世纪优秀人才计划，2008年获得霍英东优先基金，2011年入选广东省珠江学者特聘教授，2012年获得国家杰出青年基金，2015年入选科技部中青年科技创新领军人才，2016年入选英国皇家化学会Fellow，2018年获得国务院政府特殊津贴。获得国家自然科学二等奖（2015年），教育部自然科学一等奖（2019年），广东省自然科学一等奖（2014年）和侯德榜化工科技创新奖（2017年）。2020年11月入职清华大学化工系，主要研究方向包括在无机膜与膜分离，膜催化与膜反应器，新能源材料与器件。王海辉教授作为通讯联系人，在Nature Energy, Science Advance, Nature sustainability, Nature Communications, AIChE Journal，Angewandte Chemie International Edit，JACS, Advanced Materials，Advanced Energy Materials等学术期刊上，发表论文220余篇，论文被引用20400余次（Google Scholar, 2021年8月14日），H因子：78，获授权国家发明专利30余项。王海辉教授曾获得国家自然科学二等奖、教育部自然科学一等奖、广东省自然科学一等奖和侯德榜化工科技创新奖。

第一作者介绍

卢纵华南理工大学2020级博士。

研究方向为二维MXene分离膜。

吴颖华南理工大学化学与化工学院博士后副研究员。

主要围绕化工及能源领域重要应用（车用天然气储存、二氧化碳转化、烷/烯烃分离等），深度融合高通量计算和人工智能技术，开发高效智能材料和构建节能增效化工系统。主持国家级、省部级科研项目5项，以第一（共一）/通讯作者发表SCI期刊论文26篇（包括Angew Chem, Chem. Mater., AIChE J.等，他引460次），申请发明专利3项。

课题组介绍

膜科学与能源材料研究组（MSEM）是由国家杰出青年科学基金获得者王海辉教授带领的一支年轻且充满活力的研究团队，目前有教师5名，博士后1名，研究生40余名，其中含国家杰青1名，优青2名，青长1名，广东省南粤百杰1名，青年珠江学者2名，广东省杰出青年基金获得者2名，德国洪堡学者2名。团队以基础研究为根基，瞄准科学前沿和面向社会重大需求，致力于在无机膜和能源材料的应用基础研究方面做出创新性的工作。团队已形成的特色研究方向包括无机膜与膜分离、膜催化与膜反应器、新能源材料与储能器件、电化学合成氨等。

课题组链接：http://www.scut.hhwang.ycym.com/