开发高效离子传输膜在能源、水净化和资源回收等领域具有重要意义。
在盐湖提取锂的应用中，以尺寸筛分和Donnan排斥为主的膜通常通过牺牲Li+通量来提高Li+/Mg2+的选择性，这不可避免地大大增加了分离的能耗。
2025年1月10日，浙江大学张庆华教授和华中师范大学邱明副教授在国际顶级期刊Nature Water发表题为《Three-dimensional cationic covalent organic framework membranes for rapid and selective lithium extraction from saline water》的研究论文，孟文通和陈思帆为论文第一作者，张庆华教授和邱明副教授为论文共同通讯作者。
利用电场将阴离子和阳离子的传输解耦后，揭示了阳离子传输行为与膜电荷密度之间的潜在关系。
基于Manning反离子凝聚理论和密度泛函理论计算，揭示了一价阳离子通过与阳离子孔中锚定的反离子相互作用形成高速传输通道。
在电渗析试验中，阳离子共价有机骨架膜表现出Li+/Mg2+的选择性高达321，同时具有较高的锂渗透率（0.53 mol m-2h-1）。
因此，作者的研究结果表明，反离子介导的共价有机骨架膜在锂资源提取领域具有很大的潜力。
图1：COF膜的结构及COF膜内的反离子效应
图2：COF膜的理化性质表征
图3：COF膜中阳离子的选择性传输
图4：电场驱动的离子传输特性
图5：COF膜的离子分离机理及电渗析性能研究
综上，作者通过将阳离子基团引入COF骨架并研究阳离子在浓度驱动和电场驱动条件下的输运行为，证实了反离子效应在快速离子输运中的重要性。反离子被限制在正电荷基团附近，动力学速度较慢，并且在孔通道中形成局部负电环境，这使得一价阳离子能够沿着能垒较低的路径传输。
这些特性确保了膜保持高离子选择性，并显著提高了一价阳离子的渗透率，这对于从盐湖中提取锂资源具有吸引力。
因此，作者进一步验证了阳离子COF膜在电渗析提取Li+中的应用。在二元体系中，Li+/Mg2+选择性达到321，保持了较高的锂渗透率（0.53 mol m-2h-1）。与最先进的离子分离膜相比，COF-300-CH0.6具有优异的Li+/Mg2+选择性和更好的锂渗透率，显著提高锂提取效率。
此外，虽然该研究考察了以浓度和电场为驱动力的离子输运行为，但本质上反离子效应仍可扩展到纳滤和电渗析中，为高性能离子分离膜的设计和制备提供了更多的见解。
Meng, W., Chen, S., Guo, Z. et al. Three-dimensional cationic covalent organic framework membranes for rapid and selective lithium extraction from saline water.Nat Water(2025). https://doi.org/10.1038/s44221-024-00379-3.
