本研究由吉林大学高性能塑料实验室（laboratory of high performance plastics, jilin university）的赵志伟（zhiwei zhao）、任强（ren qiang）、刘佳迪（jiadi liu）、陈冠男（guannan chen）、赵博谦（boqian zhao）及通讯作者庞金辉（jinhui pang），联合东北林业大学化学化工与资源利用学院的曹宁（ning cao）共同完成。研究成果发表于 journal of membrane science 第758卷，论文于2026年6月29日投稿，2026年8月19日被接收，2026年8月22日在线发表。

一、学术背景

随着电器工业的快速扩张，锂电池需求持续攀升，锂作为一种不可再生资源已具有战略意义。全球60%以上的锂储量存在于盐湖卤水中，但传统蒸发—浓缩—沉淀法提锂周期长达近两年，且因镁离子大量共沉淀导致产品纯度低。膜分离中的纳滤（nanofiltration，NF）技术因能耗低、分离纯度高、无需高能耗蒸发步骤而成为极具前景的直接提锂（direct lithium extraction，DLE）手段。目前广泛使用的聚酰胺（polyamide，PA）纳滤膜存在孔隙率较低、孔径可调性有限的问题，限制了渗透性与分离效率的同步提升。金属有机框架（metal-organic frameworks，MOFs）虽具有规整孔道和超高比表面积，但将其制成连续无缺陷选择性层并在多孔支撑体上保持界面稳定仍十分困难。已有报道的MOF膜在提升稳定性的同时往往牺牲晶格完整性或引入额外传质阻力，导致综合分离性能有限。因此，亟需一种既保证界面牢固结合又保留MOF本征多孔结构的新策略，以同时实现高选择性和高通量。

二、研究流程

本研究提出一种两性聚合物介导的界面策略，在聚醚醚酮（polyetheretherketone，PEEK）基膜上原位生长ZIF-8选择性层，制备连续无缺陷复合纳滤膜。研究流程包括膜制备、表征、性能测试和分子动力学模拟四个主要环节。

在膜制备阶段，首先将6 cm×6 cm的PEEK超滤膜置于含0.3 M丙烯酸（acrylic acid，AA）和0.7 M 1-乙烯基咪唑（1-vinylimidazole）的混合水溶液中，用波长为327 nm的紫外灯辐照1小时进行接枝共聚，得到PEEK/AA-IMZ膜。随后将清洗后的PEEK/AA-IMZ膜置于含2.6 g六水合硝酸锌和3.0 g 2-甲基咪唑的75 mL混合溶液中，在120 ℃反应釜中反应24小时，原位生长ZIF-8晶体，制得PEEK@ZIF-8膜。通过完全氧化降解膜并计算ZnO重量，估算ZIF-8负载量约为23 wt%。

在表征环节，研究采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、Zeta电位、水接触角（water contact angle，WCA）、透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、BET比表面积测试及能谱（EDS）元素扫描等多种手段。FTIR证实了咪唑环和羧基的成功引入；XRD表明ZIF-8晶体优先以特定晶面（如{022}面）接触基体，且实际孔径大于标准窗口3.4 Å；XPS中Zn 2p和N 1s信号确认ZIF-8及咪唑环的存在；Zeta电位测试显示PEEK/AA-IMZ膜在pH 6至9之间出现分子内盐特征缓冲平台，而PEEK@ZIF-8膜因Zn²⁺占据咪唑环N原子使羧基释放而失去该缓冲；WCA测试中PEEK@ZIF-8膜呈现最低18.9°，归因于表面粗糙度增加及大量咪唑和游离羧基的氢键作用；TEM观察到膜表面ZIF-8晶体上分布大量纳米级介孔，导致BET等温线出现I型和IV型结合特征及1840.373 m² g⁻¹的超高比表面积。

在性能测试环节，采用错流过滤装置，有效膜面积为5 cm²，操作压力为10 bar。膜在过滤前预压30分钟，每次实验进行1小时，所有实验重复三次取平均值。水通量按公式S(1)计算，单盐截留率按公式S(2)由进料液和透过液电导率计算，镁锂分离因子按公式S(3)由二元盐溶液中Li⁺与Mg²⁺浓度比计算。研究系统考查了不同接枝单体比例、不同总盐浓度、不同镁锂比、模拟实际盐湖卤水、不同pH和压力条件下的分离性能，以及连续运行192小时的耐久性。在模拟实际盐湖卤水实验中，离子浓度采用电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）测定。

在分子动力学模拟环节，研究建立了PEEK-IMZ分子链、PEEK/AA-IMZ分子链和ZIF-8晶体三种模型，分析Mg²⁺与Li⁺在其中的均方位移（mean square displacement，MSD）和径向分布函数（radial distribution function，RDF），并计算结合能以揭示羧基释放增强分离能力的机制。

三、主要结果

不同接枝单体比例实验表明，AA与1-乙烯基咪唑比例为3:7时分离因子最高，达到98.44。当AA浓度为0时，仅咪唑环接枝导致ZIF-8晶体过度紧密堆积，窗口堵塞，水渗透率极低且Li⁺截留率过高；当AA浓度过高时，咪唑环数量减少，无法形成足够ZIF-8晶体，分离效果下降。未接枝的PEEK基膜几乎无离子截留能力；PEEK/AA-IMZ膜虽有一定截留，但Mg²⁺与Li⁺截留率相近，分离因子很低，且因聚合物致密覆盖导致水渗透率大幅下降；PEEK/ZIF-8膜（无接枝仅物理抽滤ZIF-8）性能有限；而PEEK@ZIF-8膜分离因子达98.44，纯水渗透率达18.1 L m⁻² h⁻¹·bar⁻¹。

分子量截留（molecular weight cutoff，MWCO）测试显示PEEK@ZIF-8膜的MWCO接近180 Da，根据Stokes公式估算孔径约0.6 nm。在四种不同Mg²⁺/Li⁺比和不同总浓度条件下，膜均保持高分离因子。模拟青海盐湖实际卤水的测试中，尽管存在其他阳离子干扰，分离因子仍达94.24，且对Ca²⁺有良好截留。在pH 6至11范围内分离因子保持80以上；压力增加时通量增大但渗透率因压实略降，分离比保持高水平。超声处理、错流剪切、牛血清白蛋白和腐殖酸污染及反冲洗测试表明膜具有优异的界面稳定性和可清洗性。连续运行192小时后，水渗透率因轻微压实降至约15 L m⁻² h⁻¹·bar⁻¹，分离因子仍保持86.8。

XPS窄谱分析揭示了制备过程中的化学键变化。O 1s谱峰拟合显示，接枝后出现羧酸盐对称单峰，证实羧基与咪唑环形成分子内盐；ZIF-8生长后Zn²⁺占据咪唑环N原子，羧基释放，O 1s峰恢复双键结构特征。N 1s谱中PEEK/AA-IMZ膜出现明显的N-O信号，证明内盐形成；PEEK@ZIF-8膜仅剩与粉末一致的对称N-C峰，表明几乎所有接枝咪唑环均参与形成ZIF-8晶体。由此提出的分离层结构为羧基与ZIF-8晶体共存，有利于高分辨识别Mg²⁺与Li⁺。

分子动力学模拟结果显示，无羧基时咪唑环对Li⁺有明显吸引，Li⁺迁移率远高于Mg²⁺；引入羧基后，Mg²⁺因静电作用迁移率显著提高甚至超过Li⁺，羧基吸引Mg²⁺形成离子屏障，削弱了Li⁺在接枝聚合物周围的分布。在ZIF-8结构中，Li⁺迁移率显著快于Mg²⁺，且在0.5 nm和1 nm处出现明显集中分布。结合能计算表明，羧基的引入降低了Mg²⁺与接枝分子链的结合能，增大了Li⁺的结合能差，使Mg²⁺更易被聚合物链捕获，Li⁺更易进入ZIF-8通道。

四、结论与意义

本研究成功开发了一种稳健的两性聚合物工程策略，在PEEK基膜上原位构筑PEEK@ZIF-8复合纳滤膜，实现了高效Mg²⁺/Li⁺分离。核心创新在于通过紫外引发共聚构建动态双功能两性聚合物中间层，该中间层既可引导连续牢固ZIF-8层生长，又可控制释放游离羧基作为静电识别位点优先将Mg²⁺吸引至聚合物基质，减少Mg²⁺对ZIF-8通道的竞争，从而显著提高离子选择性。所得膜分离因子高达98.44，纯水渗透率18.1 L m⁻² h⁻¹·bar⁻¹，超越大多数已报道纳滤膜。高分离效率源于合理设计的三层“宽—窄—宽”结构：顶层为大缺陷ZIF-8晶体层增加渗透性，中间为致密混合分离层有效孔径约0.6 nm，底部为PEEK超滤支撑层减少传质阻力。该工作为盐湖卤水提锂提供了一种实用高效膜材料，也为构建稳定高通量MOF基膜提供了通用可扩展平台。

五、研究亮点

本研究的突出亮点包括：其一，提出两性聚合物中间层双重功能设计，同时解决MOF膜界面稳定性差与离子识别位点引入两大难题；其二，通过原位化学重构释放羧基实现协同Mg²⁺识别，区别于传统配体修饰策略，在微观尺度上将羧基与MOF孔道分离，避免Mg²⁺在孔道附近富集；其三，构建三层“宽—窄—宽”结构有效降低传质阻力，实现渗透性与选择性的同步提升；其四，所制膜在实际盐湖卤水条件下仍保持优异分离性能，并展现出长达192小时的运行稳定性，具备实际应用潜力。