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加快打造原始創(chuàng)新策源地，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)，努力搶占科技制高點，為把我國建設(shè)成為世界科技強國作出新的更大的貢獻(xiàn)。

——習(xí)近平總書記在致中國科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康，率先實現(xiàn)科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展，率先建成國家創(chuàng)新人才高地，率先建成國家高水平科技智庫，率先建設(shè)國際一流科研機構(gòu)。

——中國科學(xué)院辦院方針

首頁 > 科研進(jìn)展

有機電化學(xué)離子提取研究獲進(jìn)展

2025-11-11 青海鹽湖研究所

【字體：大中小】

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針對高容量有機小分子電極因離子插層體積膨脹導(dǎo)致結(jié)構(gòu)坍塌失穩(wěn)的科學(xué)挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊提出基于分子間作用力網(wǎng)絡(luò)構(gòu)筑穩(wěn)定晶體結(jié)構(gòu)的新思路。以吩嗪為模型體系，研究證實正交垂直的分子堆疊方式可形成強分子間作用力網(wǎng)絡(luò)和具有離子選擇性的納米孔道。該結(jié)構(gòu)不僅能有效抑制體積膨脹帶來的機械失效問題，同時其產(chǎn)生的親鋰孔道在原子尺度對單價金屬離子具有優(yōu)先傳輸與選擇性性能，選擇性提鋰容量高達(dá)109mg/g。

該研究原創(chuàng)性地揭示了分子堆疊微結(jié)構(gòu)與電極材料的宏觀電化學(xué)穩(wěn)定性和離子選擇性之間的內(nèi)在物理化學(xué)規(guī)律，為設(shè)計新一代兼具高穩(wěn)定性、高選擇性、高通量的有機電化學(xué)離子捕獲材料奠定了重要理論基礎(chǔ)。

相關(guān)研究成果以Molecular Stacking Patterns Enhance Organic Small-Molecule Electrochemical Stability and Enable Ion Separation為題，發(fā)表在《納米快報》（Nano?Letters）上。

在鹵水資源電化學(xué)提取過程中，需兼顧電中性原則，因此高效提取伴生陰離子同樣重要。聚苯胺（PANI）憑借優(yōu)異的導(dǎo)電性和可逆摻雜特性，廣泛應(yīng)用于能源存儲、環(huán)境凈化和離子分離等領(lǐng)域。然而，傳統(tǒng)PANI因氮活性位點利用率低、微宏觀構(gòu)效關(guān)系不明確等問題，限制了其在高性能電化學(xué)脫鹽中的應(yīng)用。

研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)聚合電位是調(diào)控PANI微觀結(jié)構(gòu)（如聚合度、鏈結(jié)構(gòu)、缺陷類型）的關(guān)鍵參數(shù)。通過原位電化學(xué)光譜等手段論證，采用“低電位”策略可有效抑制偶聯(lián)副反應(yīng)，制備出含納米尖端的低聚度線性結(jié)構(gòu)PANI。該獨特結(jié)構(gòu)顯著提升了含氮位點的暴露效率和可接近性，從而實現(xiàn)了突破性的吸附性能：氯離子吸附容量高達(dá)339mg/g，鈉離子吸附容量達(dá)142mg/g。該研究顯著推動了結(jié)構(gòu)可控聚合物的設(shè)計及其在電化學(xué)分離中的應(yīng)用。

相關(guān)研究成果以Nanotip linear polyaniline grown at low voltage delivers record ion extraction for seawater desalination為題，發(fā)表在《化學(xué)工程雜志》（Chemical Engineering Journal）上。

研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、青海省“昆侖英才”行動計劃等的支持。

論文鏈接：1、2

區(qū)別于平行堆積結(jié)構(gòu)，正交垂直構(gòu)型的吩嗪具備強分子間作用力網(wǎng)絡(luò)

低電位聚苯胺具備線性微結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)宏觀結(jié)構(gòu)

低鋰品位鹵水具有高鈉、高鉀、高鎂等特點，導(dǎo)致傳統(tǒng)吸附材料在提鋰應(yīng)用中存在容量低、選擇性差、速率慢等問題。中國科學(xué)院青海鹽湖研究所研究團(tuán)隊創(chuàng)新性地提出電活性有機分子離子吸附材料在鹽湖鹵水資源提取中的應(yīng)用，基于有機分子活性官能團(tuán)多、空間和電子結(jié)構(gòu)可調(diào)控的特性，實現(xiàn)離子的選擇性傳輸與配位，達(dá)到鋰離子的高容量選擇性提取。針對高容量有機小分子電極因離子插層體積膨脹導(dǎo)致結(jié)構(gòu)坍塌失穩(wěn)的科學(xué)挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊提出基于分子間作用力網(wǎng)絡(luò)構(gòu)筑穩(wěn)定晶體結(jié)構(gòu)的新思路。以吩嗪為模型體系，研究證實正交垂直的分子堆疊方式可形成強分子間作用力網(wǎng)絡(luò)和具有離子選擇性的納米孔道。該結(jié)構(gòu)不僅能有效抑制體積膨脹帶來的機械失效問題，同時其產(chǎn)生的親鋰孔道在原子尺度對單價金屬離子具有優(yōu)先傳輸與選擇性性能，選擇性提鋰容量高達(dá)109mg/g。該研究原創(chuàng)性地揭示了分子堆疊微結(jié)構(gòu)與電極材料的宏觀電化學(xué)穩(wěn)定性和離子選擇性之間的內(nèi)在物理化學(xué)規(guī)律，為設(shè)計新一代兼具高穩(wěn)定性、高選擇性、高通量的有機電化學(xué)離子捕獲材料奠定了重要理論基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果以Molecular Stacking Patterns Enhance Organic Small-Molecule Electrochemical Stability and Enable Ion Separation為題，發(fā)表在《納米快報》（Nano?Letters）上。在鹵水資源電化學(xué)提取過程中，需兼顧電中性原則，因此高效提取伴生陰離子同樣重要。聚苯胺（PANI）憑借優(yōu)異的導(dǎo)電性和可逆摻雜特性，廣泛應(yīng)用于能源存儲、環(huán)境凈化和離子分離等領(lǐng)域。然而，傳統(tǒng)PANI因氮活性位點利用率低、微宏觀構(gòu)效關(guān)系不明確等問題，限制了其在高性能電化學(xué)脫鹽中的應(yīng)用。研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)聚合電位是調(diào)控PANI微觀結(jié)構(gòu)（如聚合度、鏈結(jié)構(gòu)、缺陷類型）的關(guān)鍵參數(shù)。通過原位電化學(xué)光譜等手段論證，采用“低電位”策略可有效抑制偶聯(lián)副反應(yīng)，制備出含納米尖端的低聚度線性結(jié)構(gòu)PANI。該獨特結(jié)構(gòu)顯著提升了含氮位點的暴露效率和可接近性，從而實現(xiàn)了突破性的吸附性能：氯離子吸附容量高達(dá)339mg/g，鈉離子吸附容量達(dá)142mg/g。該研究顯著推動了結(jié)構(gòu)可控聚合物的設(shè)計及其在電化學(xué)分離中的應(yīng)用。相關(guān)研究成果以Nanotip linear polyaniline grown at low voltage delivers record ion extraction for seawater desalination為題，發(fā)表在《化學(xué)工程雜志》（Chemical Engineering Journal）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、青海省“昆侖英才”行動計劃等的支持。論文鏈接：1、2區(qū)別于平行堆積結(jié)構(gòu)，正交垂直構(gòu)型的吩嗪具備強分子間作用力網(wǎng)絡(luò)低電位聚苯胺具備線性微結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)宏觀結(jié)構(gòu)

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