科研進展
青海鹽湖所在電控吸附直接提鋰研究領域取得新進展
傳統(tǒng)鹽湖提鋰技術依賴太陽能蒸發(fā)濃縮，具有成本低廉優(yōu)勢，但先提鉀后提鋰工藝流程長，各階段鋰夾帶損失大，導致提高鋰收率成為鹽湖資源開發(fā)的急切需求。近年來，電控吸附技術在直接提鋰（Direct Lithium Extraction, DLE）上因其高效、綠色環(huán)保的優(yōu)勢，成為鹽湖資源提取的重要發(fā)展方向。然而，在多離子競爭環(huán)境下實現(xiàn)鋰離子的高選擇性、離子高速傳輸及材料長期穩(wěn)定性，仍是該領域面臨的核心科學問題。針對上述挑戰(zhàn)，中國科學院青海鹽湖研究所劉忠研究員帶領的離子吸附科學與技術團隊，長期致力于鹽鹵離子分離材料、工藝、和裝備的系統(tǒng)研發(fā)。團隊在多類吸附材料研究中，鈦吸附劑因離子選擇性高，鈦氧鍵結構穩(wěn)定性好，其工業(yè)化前景十分廣闊。但在實際電控吸附過程中，如何提高離子和電子傳輸，同步實現(xiàn)高吸附容量和高電化學反應速率，仍然是使用過程中面臨的難題。
在提高吸附容量方面，研究團隊通過表面配位環(huán)境（coordination environment）的調節(jié)策略，即不同晶面上四面體與八面體配位點分布的精確調控，實現(xiàn)對鋰離子吸附動力學與容量的協(xié)同控制。同時揭示了鋰離子在材料中的遷移機制：鋰離子首先進入四面體位點作為“擴散入口”，隨后逐步遷移至更穩(wěn)定的八面體位點實現(xiàn)儲存。闡明了富含四面體位點的(110)晶面能夠降低鋰離子進入材料結構的能壘，使鋰離子快速進入材料內部，從而顯著提升吸附速率；而具有更均衡配位環(huán)境的(111)晶面則能夠提供更穩(wěn)定的鋰離子儲存位點，從而實現(xiàn)更高的平衡吸附容量。該研究從原子尺度闡明了配位環(huán)境對鋰離子吸附行為的調控機制，為高容量吸附材料設計提供思路。
在此研究基礎上借助電控吸附技術，同時提高鈦基吸附材料的吸附速率和吸附容量，并應用于鹽湖直接提鋰的技術開發(fā)。鈦基吸附材料雖然結構穩(wěn)定、選擇性高，但在水體系中電化學活性較低，限制了其在電控吸附提鋰中的應用。而具有相同晶體結構的錳基吸附材料電活性好而穩(wěn)定性差，結合鈦錳兩者不同活性離子占位特征，提出了一種惰性材料電化學活化策略，開發(fā)出一種基于錳替代鈦位點的尖晶石的新型鈦基吸附材料（H?.??Ti?.??Mn?.?O?）。該策略通過調控材料電子結構與鋰離子遷移通道，使原本電化學惰性的材料轉變?yōu)榫哂辛己醚趸€原活性的電極體系，材料的鋰吸附容量可達 43.58 mg g?1，并在復雜鹽湖鹵水體系中表現(xiàn)出較高的鋰離子選擇性，其中 Li/Na、Li/K、Li/Mg 和 Li/Ca 分離系數分別達到 420.6、202.6、62.2 和 73.8。具有從多離子鹽湖鹵水對鋰高效富集潛力。
研究工作系統(tǒng)揭示了鋰吸附材料中配位環(huán)境調控與電化學活化機制之間的關系，為開發(fā)兼具高選擇性、高速動力學和高穩(wěn)定性的直接提鋰技術提供新思路，對鹽湖資源綠色開發(fā)利用具有重要意義。相關研究成果青海鹽湖研究所為第一單位，通過與國內外科研團隊合作，分別以“Coordination Environment Engineering for Facet-Dependent Lithium Adsorption in Spinel Titanates” 為題發(fā)表于國際期刊《Nano Letters》，以及“Activating Lithium Titanate for High-Performance and Stable Electrochemical Direct Lithium Extraction” 為題發(fā)表于環(huán)境科學領域期刊《Environmental Science & Technology》。研究工作得到國家自然科學基金委、中國科學院及青海省科學技術廳的資助。
文章鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.5c02183
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.5c14846?fig=fig1&ref=pdf
圖1吸附劑材料中晶面調控誘導配位環(huán)境重構的結構設計策略示意圖
圖2 Mn在鈦酸鋰（LTO）中的位點效應與晶格調控機制
審核：葛飛
