稀有金属是不可再生的关键战略资源，加强稀有金属的回收再利用，对保障国家资源安全、推动经济社会高质量发展具有重大意义。膜分离技术可用于水溶液中稀有金属离子的选择性分离与富集，但现有膜材料由于成膜原理的固有限制，在孔径分布、孔道内功能化等方面存在明显不足，难以满足离子分离过程的高精度要求，限制了其在稀有金属离子分离方面的应用。

为此，本论文提出采用一类新型的多孔框架材料，共价有机框架（COF）为成膜材料，利用在孔道均一性和孔内化学性质可调方面的突出优势，设计并制备了一种全新的具有非对称结构的COF膜，用于稀有金属离子镧、锶、铯的选择性分离。

核心创新点：

（1）垂直排列纳米棒设计：通过界面合成方法在多孔基底上合成了具有垂直排列纳米棒的COF层。这种设计扩大了与水和单价离子的接触面积，同时消除了缺陷，提高了膜的选择性和渗透性。

（2）不对称结构：COF层具有不对称结构，上层为垂直排列的纳米棒，下层为超薄致密层。这种结构既保证了高渗透性又实现了紧密的选择性。

（3）高效的离子分离性能：所制备的膜展现了卓越的分离性能，例如，Cs⁺（铯离子）的渗透率达到了0.33 mol m^-2 h^-1，接近多孔基底的值，并且在单一组分和二元组分系统中Cs⁺/La³⁺（铯离子/镧离子）的选择性分别高达75.9和69.8。

（4）机械强度：由于基底提供了机械强度，保护了下部的超薄致密层，使得整个COF膜在结构上更加稳定。

图1 COF膜的不对称结构示意图，保证了离子的快速和选择性分离

图2 HBAB-TAPA-COF的合成路线示意图

图3 HBAB-TAPA-COF层的微观结构

图4 HBAB-TAPA-COF层的理化性质

图5 表面、截面的SEM图像，以及相应的示意图

图6 QCM-D分析和MD模拟

图7 HBAB-TAPA-COF层垂直排列纳米棒形成的潜在机制

图8 HBAB-TAPA-COF层的分离性能

研究结论：

研究发现，该非对称结构上部为垂直取向的纳米棒，增大了有效接触面积，利于水分子和单价离子的收集；而下部为厚度仅为29 nm的超薄分离层，赋予离子高渗透选择性。该COF膜展现出优异的分离性能，例如超快的铯离子渗透性（0.33 mol m^-2h^-1），并分别在理想和实际混合体系中展现出高达75.9和69.8的铯/镧选择性。这项工作为稀有金属离子分离膜的设计与制备提供了新思路，有望进一步推动膜分离技术在关键战略资源超常富集和循环再利用方面的应用。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-024-53625-3

来源：膜科学与技术