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二维Ti3C2Tx层状膜的阳离子插层改性及对Mg2+/Li+分离性能与机制研究

批准号:
51804240
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
25.0 万元
负责人:
王琎
依托单位:
学科分类:
冶金物理化学与冶金原理
结题年份:
2021
批准年份:
2018
项目状态:
已结题
项目参与者:
王旭东、陈立成、王雷磊、张治杰、杨应明

项目摘要

结项摘要

项目成果

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中文摘要
我国西部地区的盐湖卤水中含有丰富的锂资源,开发适用于我国高镁锂比盐湖卤水的Mg2+/Li+分离技术,具有重要的研究价值和战略意义。本项目拟采用刻蚀技术制备单层Ti3C2Tx纳米片,利用喷涂技术进行纳米片堆叠,构筑结构完整的大面积Ti3C2Tx层状薄膜。通过不同阳离子对薄膜进行插层改性,实现膜层间距的精确调控,制备具有不同层间距的Ti3C2Tx薄膜。采用原子力显微镜联合耗散型石英晶体微天平技术,实现对阳离子插层过程中,薄膜层间微观作用力及膜结构变化的实时测量,探明离子插层Ti3C2Tx薄膜的机理。通过研究尺寸限域效应与电荷效应对分离试验过程中Mg2+、Li+的跨膜扩散性能的影响,揭示Ti3C2Tx薄膜的选择性传质机理,获得可实现Mg2+高效截留而Li+快速通过的目标膜结构与分离条件。本项目为二维Ti3C2Tx薄膜在盐湖卤水镁锂分离技术的应用及特定离子筛分功能薄膜的开发提供理论参考与支持。
英文摘要
There are large amount of lithium resources reserved in the salt lake brin in China, the tecnology of extractting lithium from brine with high Mg/Li ratio efficiently is of strategic and researchful significance. In this project, the selectively etching method will be chosen to prepare for the Ti3C2Tx nanosheets, the nanosheets will be spray and stacked onto the substrate surface to form the two-dimensional lamellar membrane. The lamellar membrane will be treated by the intercalation of different cation to accurately control the spacing distance between nanosheets. Atomic force microscopy (AFM) will be used in conjunction with quartz crystal microbalance with dissipation (QCM-D) to establish the test platform to observe the changes of and membrane structure and interaction forces between Ti3C2Tx nanosheets in in real time, the mechanism of cation intercalation into the Ti3C2Tx membrane will be researched and a series of Ti3C2Tx membrane with different spacing will be prepared. The size confinement effect and charge effect during the cation permeation will be studied to explore selective transport mechanism and properties, the desired membrane structure will be obtained which could exclude Mg2+ effectively with an ultrafast Li+ permeation property. This project herein provides the guidance in application of two-dimensional lamellar Ti3C2Tx membrane in Li+/Mg2+ separation in brine industry and development of the Ti3C2Tx membrane for specific cation sieving.
Mg2+/Li+分离问题是公认的制约我国高镁锂比、低锂品味盐湖卤水提锂技术的瓶颈所在。二维层状膜因其超快水传输和精确选择性等物质输运现象而引起了广泛的研究兴趣。本项目利用耗散型石英晶体微天平对Ti3C2Tx层间距的原位观察证明,溶液环境中的水分子及阳离子可自发插层进入Ti3C2Tx膜内,相邻纳米片之间以及纳米片与层间离子之间将形成复杂的吸引、排斥相互作用关系,并最终导致层间通道稳定于不同尺寸,影响层状膜的离子分离精度。针对上述问题,本项目提出将Keggin Al13阳离子聚合物锚定于纳米通道内,以提升通道的结构稳定性,并实现了通道尺寸在一定范围内的精确可调。在离子传输行为方面,项目证明了离子可通过表面水合层的变形甚至脱落进入小于其尺寸的通道,离子水合能对离子脱水合及传输过程具有重要影响,受此影响,通过优化结构碱金属离子与碱土金属离子的分离系数可以达到22。另一方面,本项目提出海藻酸盐凝胶柱撑技术,在固定Ti3C2Tx膜的层间距的同时,利用海藻酸钠与多价阳离子不同的交联机制,实现对通道表面电荷密度的调节,证实了通道表面电荷的微小差异将会引发不同的传输现象,甚至导致具有更加坚硬水合层的碱土金属离子表现出高于碱金属的跨膜传输速度。本项目为盐湖卤水镁锂分离技术的应用及特定离子筛分功能薄膜的开发提供理论参考与支持。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
A Two-Dimensional Lamellar Vermiculite Membrane for Precise Molecular Separation and Ion Sieving
用于精确分子分离和离子筛分的二维层状蛭石膜
DOI: 10.1021/acssuschemeng.1c05951
发表时间: 2022-01-11
期刊: ACS SUSTAINABLE CHEMISTRY & ENGINEERING
影响因子: 8.4
作者: [Tian, Mengtao, Wang, Lei, Wang, Lele]
通讯作者: Wang, Lele
Ion sieving by a two-dimensional Ti3C2Tx alginate lamellar membrane with stable interlayer spacing
通过具有稳定层间距的二维 Ti3C2TX 藻酸盐层状膜进行离子筛分
DOI: 10.1038/s41467-020-17373-4
发表时间: 2020-07-15
期刊: NATURE COMMUNICATIONS
影响因子: 16.6
作者: [Wang, Jin, Zhang, Zhijie, Wang, Lei]
通讯作者: Wang, Lei
Insight into Manipulation Mechanism of Ion Transport through Angström-Scale Channels in Ti3C2Tx Membrane by Controlling Surface Potential Using Electrochemical Quartz Crystal Microbalance with Dissipation
通过使用具有耗散的电化学石英晶体微天平控制表面电势,深入了解 Ti3C2TX 膜中埃级通道的离子传输操纵机制
DOI: 10.1021/acs.jpcc.0c09516
发表时间: 2020-12
期刊: Journal of Physical Chemistry C
影响因子: 3.7
作者: [Wang Jin, Wang Fudi, Yang Bing, Wu Jiang, Tian Mengtao, Zhu Jiani, Wang Xudong, Wang Lei]
通讯作者: Wang Lei
Precisely Tunable Ion Sieving with an Al13–Ti3C2Tx Lamellar Membrane by Controlling Interlayer Spacing
通过控制层间距,使用 Al13-Ti3C2TX 层状膜进行精确可调的离子筛分
DOI: 10.1021/acsnano.0c05649
发表时间: 2020
期刊: ACS Nano
影响因子: 17.1
作者: [Zhu Jiani, Wang Lei, Wang Jin, Wang Fudi, Tian Mengtao, Zheng Shuchang, Shao Ning, Wang Lele, He Miaolu]
通讯作者: He Miaolu
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