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Unlocking Direct Lithium Extraction in Harsh Conditions through Thiol-Functionalized Metal–Organic Framework Subnanofluidic Membranes

化学 硫醇 金属有机骨架 锂(药物) 萃取(化学) 环境化学 吸附 有机化学 医学 生物化学 内分泌学
作者
Chen Zhao,F Fan,Jue Hou,Jian Hu,Yuyu Su,Jefferson Zhe Liu,Matthew R. Hill,Benny D. Freeman,Huanting Wang,Huacheng Zhang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (20): 14058-14066 被引量:16
标识
DOI:10.1021/jacs.4c02477
摘要

Metal–organic framework (MOF) membranes with high ion selectivity are highly desirable for direct lithium-ion (Li+) separation from industrial brines. However, very few MOF membranes can efficiently separate Li+ from brines of high Mg2+/Li+ concentration ratios and keep stable in ultrahigh Mg2+-concentrated brines. This work reports a type of MOF-channel membranes (MOFCMs) by growing UiO-66-(SH)2 into the nanochannels of polymer substrates to improve the efficiency of MOF membranes for challenging Li+ extraction. The resulting membranes demonstrate excellent monovalent metal ion selectivity over divalent metal ions, with Li+/Mg2+ selectivity up to 103 since Mg2+ should overcome a higher energy barrier than Li+ when transported through the MOF pores, as confirmed by molecular dynamics simulations. Under dual-ion diffusion, as the Mg2+/Li+ mole ratio of the feed solution increases from 0.2 to 30, the membrane Li+/Mg2+ selectivity decreases from 1516 to 19, corresponding to the purity of lithium products between 99.9 and 95.0%. Further research on multi-ion diffusion that involves Mg2+ and three monovalent metal ions (K+, Na+, and Li+, referred to as M+) in the feed solutions shows a significant improvement in Li+/Mg2+ separation efficiency. The Li+/Mg2+ selectivity can go up to 1114 when the Mg2+/M+ molar concentration ratio is 1:1, and it remains at 19 when the ratio is 30:1. The membrane selectivity is also stable for 30 days in a highly concentrated solution with a high Mg2+/Li+ concentration ratio. These results indicate the feasibility of the MOFCMs for direct lithium extraction from brines with Mg2+ concentrations up to 3.5 M. This study provides an alternative strategy for designing efficient MOF membranes in extracting valuable minerals in the future.
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