锂离子电池在电动汽车和电子设备中应用广泛,且大量存在于盐湖卤水与海水中。上述卤水资源中镁锂共存,两者半径相当且性质相似,导致高效提取锂离子具有一定挑战性。石墨烯的单原子厚度与平面结构可最大限度地减小离子传输阻力,以保证高渗透性与离子筛分效率,因此使用石墨烯纳米孔膜从盐湖卤水中实现镁锂的高效分离具有较高可行性与应用前景。影响镁锂膜分离的微观因素较多,导致其分离机制尚不清晰,高效镁锂分离的方法与离子选择性迁移的微观机制仍有待进一步研究和完善。基于分子动力学模拟与动力学分析,本文研究了功能化改性石墨烯纳米通道的镁锂选择性筛分的新方法与新策略,深入探讨了离子在限域空间内选择性迁移的微观机制,具体研究内容如下:对阳离子-羧基改性石墨烯纳米孔的镁锂分离性质进行了研究。结果表明,羧基改性石墨烯纳米孔可以较稳定地吸附阳离子(Ca2+或Mg2+)。即使在原始孔径大于2 nm时,该阳离子-羧基改性石墨烯纳米孔仍可展现较高的锂离子选择性,镁锂比达0.2-0.5。锂离子选择性主要源于:第一,锂离子相对松散的水合壳层使其不易被孔隙边缘钙离子的水合壳层阻碍,因此其在纳米孔内的可迁移截面积更大。第二,孔隙附近的镁锂离子与氯离子之间的缔合作用增强,而Mg2+-Cl-缔合团簇比Li+-Cl-缔合团簇更大且更稳定,使得镁离子较难通过阳离子-羧基改性石墨烯纳米孔。研究显示了使用大孔径石墨烯纳米孔膜进行镁锂分离的可能性,在降低开孔成本的同时可实现高锂离子选择性。膦酸改性石墨烯纳米孔镁锂分离性质的研究结果表明,离子水合稳定性和离子与官能团的相互作用是导致纳米孔在一定电场下产生锂离子选择性的两个主要因素。锂离子易于脱水,可通过与膦酸基团“直接缔合-解离”的方式通过纳米孔。随着孔径和离子迁移驱动力的增大,这两种因素对离子渗析的影响将减小,从而导致锂离子选择性下降。一定电场下,迁移更快且难以通过纳米孔的镁离子将堵塞纳米孔,进而阻碍锂离子的渗析。通过施加一定大小的垂直于离子渗透方向的电场EY,可消除该堵塞效应。同时在离子渗析的Z方向施加较小推动力以促进离子渗析,此时由于EY对镁离子的强驱动效果以及Z方向对其相对不足的渗析驱动力,使得纳米孔呈现极高的锂离子选择性,镁锂比可低于0.074。该研究通过合理利用功能基团和外加电场,展现了高效提取锂离子的新思路。本研究探讨了使用石墨烯纳米孔膜进行镁锂分离的有效方法,并揭示了在纳米限域空间内离子水合、缔合、官能团等微观因素及电场对离子迁移的影响,为实现纳米多孔膜材料的低成本或高效率离子筛分提供了方法与启示。