鋰作為關(guān)鍵戰(zhàn)略資源，在鋰離子電池和便攜式儲(chǔ)能設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。隨著鋰資源需求的不斷增加，鹽湖提鋰成為解決我國(guó)鋰資源短缺問(wèn)題的有效途徑之一。其中，電化學(xué)吸附法提鋰因其速率快、容量大、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)而備受關(guān)注。在電化學(xué)吸/脫附技術(shù)開(kāi)發(fā)中，基于尖晶石結(jié)構(gòu)的錳基材料一直作為典型研究對(duì)象。青海鹽湖研究所鹽湖資源化學(xué)實(shí)驗(yàn)室離子吸附分離科學(xué)與技術(shù)課題組，針對(duì)電吸附材料在實(shí)際應(yīng)用面臨的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)材料表面結(jié)構(gòu)優(yōu)化和吸附行為影響因素等深入研究，為優(yōu)化鋰離子電吸附材料的性能提供體系化解決方案，同時(shí)為電化學(xué)吸附提鋰工藝開(kāi)發(fā)提供科學(xué)基礎(chǔ)。
????針對(duì)電化學(xué)吸附過(guò)程中電極內(nèi)Li+擴(kuò)散速率和電子轉(zhuǎn)移速率不匹配，從而制約電極電化學(xué)活性的問(wèn)題，設(shè)計(jì)和制備了離子和電子雙導(dǎo)聚(乙烯醇)-聚苯胺(PVA-PANI)共聚物(CP)，并包覆到吸附劑顆粒表面，促進(jìn)Li+擴(kuò)散和電子轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)吸附效率的提高。HMO@CP電極具有優(yōu)越的電化學(xué)活性和吸附效率，吸附容量高達(dá)49.48 mg/g。機(jī)理研究表明，PVA中帶負(fù)電荷的羥基(-OH)可以富集Li+并加速Li+的擴(kuò)散，PANI中的共軛結(jié)構(gòu)和氧化還原活性醌類(lèi)位點(diǎn)提供了更密集的電子分布促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移（圖1）。該工作以離子擴(kuò)散和電子轉(zhuǎn)移為出發(fā)點(diǎn)，以提高離子擴(kuò)散速率和電子轉(zhuǎn)移速率匹配度為導(dǎo)向，實(shí)現(xiàn)吸附效率的提高（ACS Nano,18 (2024) 31204-31214）。
除離子傳輸效率外，針對(duì)錳基電活性材料因電極極化導(dǎo)致的穩(wěn)定性較差的問(wèn)題，采用還原氧化石墨烯（rGO）與Nafion協(xié)同改性的策略制備得到高效穩(wěn)定電化學(xué)吸附材料。rGO在增加材料分散性的同時(shí)大幅降低了材料極化，緩解極化過(guò)程帶來(lái)的容量衰減，使得吸附容量和循環(huán)穩(wěn)定性得到提升。研究表明Nafion通過(guò)主鏈與還原氧化石墨烯表面羧基結(jié)合，而支鏈磺酸基團(tuán)（-SO3-）可以捕獲因歧化反應(yīng)溶出的Mn2+，從而使得材料表面局部Mn2+濃度升高（圖2）。經(jīng)過(guò)協(xié)同改性，材料30次循環(huán)容量保持率由79.04%提升至94.64%。該研究驗(yàn)證了離子捕獲機(jī)制抑制歧化反應(yīng)的可行性，能夠?yàn)殄i系材料在電化學(xué)分離過(guò)程中的溶損問(wèn)題提供新的解決思路（Chem. Eng. J,497 (2024) 155009）。
????在材料改性的基礎(chǔ)上，青海鹽湖研究所科研人員針對(duì)環(huán)境溫度影響電化學(xué)吸附熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)研究不夠深入的問(wèn)題，開(kāi)展了逐步升溫的策略（273.15到328.15 K），探究了溫度如何影響液相中水合離子遷移，固液界面離子脫水合和電子轉(zhuǎn)移，固相中離子擴(kuò)散等行為的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)（圖3）。該研究通過(guò)升溫強(qiáng)化了熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)，使吸附速率和吸附容量改善，且通過(guò)調(diào)節(jié)反應(yīng)參數(shù)優(yōu)化反應(yīng)速率的策略也可用于電池、催化合能源等領(lǐng)域（Sep. Purif. Technol.355 (2025) 129631）。
由于孔徑是影響離子傳輸?shù)闹匾蛑?，針?duì)致密吸附劑吸附效率低的局限，設(shè)計(jì)制備多孔大面積吸附劑，探究了多孔大面積球形結(jié)構(gòu)如何強(qiáng)化電子轉(zhuǎn)移、加強(qiáng)水合離子脫水合、強(qiáng)化離子擴(kuò)散，以提升吸附容量和吸附速率（圖4）。研究表明多孔吸附劑更易于被含鋰溶液潤(rùn)濕，且電子轉(zhuǎn)移在多孔表面更順暢，揭示鋰離子脫水合是吸熱反應(yīng)在多孔吸附劑表面更容易發(fā)生，多孔構(gòu)造對(duì)鋰離子擴(kuò)散有強(qiáng)化作用。通過(guò)改善提升了吸附效率，使得多孔吸附劑在180 min達(dá)到24.23 mg/g的吸附容量（致密：19.28 mg/g）。該工作提出的多孔策略為提升效率、開(kāi)發(fā)下一代吸附劑做出探索（Chem. Eng. J,497 (2024) 154859）。
青海鹽湖研究所鹽湖資源化學(xué)實(shí)驗(yàn)室離子吸附分離科學(xué)與技術(shù)課題組系統(tǒng)開(kāi)展離子吸附材料及工藝開(kāi)發(fā)取得積極進(jìn)展，相關(guān)研究成果發(fā)表在ACS Nano，Chem. Eng. J， Sep. Purif. Technol. 等中國(guó)科學(xué)院一區(qū)TOP期刊上，成果得到了國(guó)家自然科學(xué)基金，中國(guó)科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)目，青海省自然科學(xué)基金，青海省科技成果轉(zhuǎn)化專(zhuān)項(xiàng)，青海省“昆侖英才·高端創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才”等項(xiàng)目支持。
文章鏈接：
????ACS Nano,18 (2024) 31204-31214. https://doi.org/10.1021/acsnano.4c09379
????Chem. Eng. J,497 (2024) 155009. https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.155009
????Sep. Purif. Technol,355 (2025) 129631. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.129631
????Chem. Eng. J,497 (2024) 154859. https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.154859
離子擴(kuò)散和電子傳輸雙通道強(qiáng)化鋰吸附效率機(jī)理圖
材料表面局域離子價(jià)態(tài)變化及離子捕獲機(jī)理圖
溫度強(qiáng)化吸附熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)機(jī)理圖
多孔強(qiáng)化鋰離子吸附擴(kuò)散和電子轉(zhuǎn)移機(jī)理圖
?
?