Американо-китайская группа ученых разработала композитную мембрану для выделения ионов лития из рассолов озер. Результаты исследования опубликованы в журнале Angewandte Chemie.

Литий — самый неактивный щелочной металл. Поскольку он широко доступен и почти не вступает в реакцию с воздухом, из лития изготавливают аноды для химических источников тока (например, литий-ионных аккумуляторов). В естественной среде элемент встречается в горных породах и даже чаще (в 60 процентах случаев) — в рассолах сильносоленых озер. При этом его ионы трудно добывать изолированно: в озерах литий сосуществует с химически сходными ионами магния, натрия и калия. Сейчас получение металлического лития — сложный и многоступенчатый процесс.

Ученые из Чжэцзянского университета и Техасского университета в Сан-Антонио предложили упростить процедуру с помощью молекулярного сита. Для его изготовления авторы покрывали твердую пленку из гидроксида меди отрицательно заряженным полимером (полистиролсульфанат, PSS) и удерживали при комнатной температуре. Затем материал обрабатывался тримезиновой кислотой, что приводило к образованию металлоорганической аппликационной формы, или решетки, — HKUST-1. Молекулы PSS при этом кристаллизовались и приобретали высокоселективную проводимость ионов лития.

Этапы создания мембраны. / © Yi Guo, Angewandte Chemie, 2016

Толщина мембраны (она получила название PSS@HKUST-1) составила 8 нанометров. Испытания показали, что ее проводимость различается в зависимости от концентрации полимера (от 0,07 до 40 процентов). Максимальным уровень был при содержании PSS в размере 6,7 процента — он превысил уровень самостоятельной проводимости HKUST-1 в пять раз. Удельная поверхность нового материала по методу БЭТ при этом сократилась с 1370 квадратных метров на грамм в минуту до 1213 квадратных метров на грамм в минуту, размер пор — с 0,67 до 0,62 нанометра.

Композитная мембрана в растровый электронный микроскоп. / © Yi Guo, Angewandte Chemie, 2016

Кроме того, проводимость мембраны (при подаче энергии всего в 21 электронвольт) подчинялась уравнению Аррениуса и зависела от температуры среды. Так, она значительно увеличивалась при нагревании до 70 градусов Цельсия. Материал проводил ионов лития вдвое больше, чем ионов натрия и калия, и в четыре раза больше, чем ионов магния, а разделение бинарных соединений происходило со скоростью 6,75 моль на квадратный метр в час. Сшивание HKUST-1 с полимером также увеличило стабильность материала при помещении в воду.

По мнению авторов, технологию адаптировать под другие задачи, связанные с сепарацией элементов с помощью полимера. В самой PSS@HKUST-1–6,7 ученые видят перспективный материал для более эффективного сбора иона лития.