PSS功能化纳米通道膜：纳米限域与离子锚定协同实现高效阳离子筛分回收

《Water Research》：Efficient cation sieving and recovery via synergistic nanoconfinement and ionic anchoring in engineered PSS-functionalized nanochannel membranes

本综述通过"种子-反扩散-生长"策略构建聚苯乙烯磺酸钠（PSS）修饰的ZIF-8/PANI复合膜，创新性地将纳米限域效应与离子锚定机制相结合，实现单价阳离子（Na+/Li+）对二价阳离子（Mg2+）的超高选择性（PMg2+Na+=47.7），为海水淡化与锂资源回收提供了新型离子筛分膜设计范式。

　　

材料与化学试剂

商业阴离子交换膜（AEM-Type II）和阳离子交换膜（CEM-Type II）由富士胶片制造欧洲公司（荷兰）提供。2-甲基咪唑（Hmim, 98%）和苯胺（ANI, 99.5%）分别购自Sigma-Aldrich（中国上海）和阿拉丁生化科技有限公司（中国上海）。聚苯乙烯磺酸钠（PSS，分子量75,000，30 wt%）和过硫酸铵（APS, 98%）由麦克林化学技术有限公司提供。

ZIF/PSS复合CEM的物理化学性质

如图2a-d和图S5所示，SCG工艺前后膜的表面和截面形貌发生显著变化。通过苯胺原位聚合，在ACEM表面形成了具有颗粒形态的致密聚苯胺（PANI）层（图2b），该过程由π-π相互作用和氢键驱动。PANI中丰富的极性基团（–NH–和=N–）促进了Zn²⁺在ACEM表面的配位与沉积，为后续ZIF-8生长提供成核位点。PSS的引入进一步调控了ZIF-8纳米通道的离子传输路径，形成具有长程有序结构的ZIF/PSS架构。

结论

本研究开发了一种"种子-反扩散-生长"策略，在CEM上原位构建了PANI层和PSS修饰的ZIF-8三维空腔结构。PSS的掺显著增强了ZIF/P₂-ACEM膜对Na⁺和Li⁺的单价离子选择性，其选择性系数分别达到47.74和36.57，同时保持高离子通量（J_Na⁺=2.78×10^?8mol·cm^?2·s^?1；J_Li⁺=2.25×10^?8mol·cm^?2·s^?1）。电化学分析表明，PSS促进Mg²⁺在纳米通道内积累并引发双电层（EDL）重叠，通过空间限域-离子锚定机制实现对二价离子的高效筛分。