AS | 通過(guò)光熱蒸發(fā)和水合控制吸附實(shí)現(xiàn)選擇性鋰回收

01

研究背景

當(dāng)前全球正面臨淡水資源短缺和關(guān)鍵金屬供應(yīng)缺乏的雙重危機(jī)，這對(duì)可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成了顯著障礙 。作為現(xiàn)代儲(chǔ)能系統(tǒng)基石的鋰資源需求巨大，但其供應(yīng)鏈?zhǔn)执嗳跚沂艿乩硐拗?；同時(shí)，全球仍有超過(guò)43億人缺乏可靠的清潔水源 。海水和鹽湖鹵水等鹽水資源中蘊(yùn)含著大量的淡水和鋰，代表著巨大的未開(kāi)發(fā)資源庫(kù) ，但由于高鹽度和極微量的鋰濃度，直接利用這些資源非常困難 。如果能夠?qū)嚮厥张c海水淡化過(guò)程結(jié)合在一起，將為同時(shí)解決上述雙重資源挑戰(zhàn)提供一條變革性的途徑 。然而，傳統(tǒng)的提取技術(shù)（如沉淀、溶劑萃取、吸附或電化學(xué)分離）通常僅側(cè)重于鋰離子的選擇性捕獲，忽略了鹽水系統(tǒng)中發(fā)生的水蒸發(fā)和離子傳輸?shù)冉缑鎰?dòng)力學(xué)過(guò)程 。這使得現(xiàn)有方法在面對(duì)大量競(jìng)爭(zhēng)離子的復(fù)雜環(huán)境中提取痕量鋰時(shí)，不僅耗能極高且效率低下 。

因此，如何利用太陽(yáng)能等可持續(xù)能源同時(shí)驅(qū)動(dòng)界面水蒸發(fā)和定向離子傳輸，以及如何構(gòu)建一個(gè)整合了光熱轉(zhuǎn)換與鋰選擇性的多功能一體化平臺(tái)，成為了實(shí)現(xiàn)規(guī)模化資源回收亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題 。

相關(guān)工作以“Selective Lithium Recovery via Photothermal Evaporationand Hydration-Controlled Adsorption”為題，發(fā)表在《ADVANCED SCIENCE》期刊上。（中科院一區(qū)TOP,JCR一區(qū)，IF=14.1）

02

相關(guān)數(shù)據(jù)

圖1：Mo-LDH@Sponge材料的結(jié)構(gòu)特征和表面潤(rùn)濕性：（a） 帶有頂部MoS2的雙層結(jié)構(gòu)示意圖-涂層層（暗色）和底層Li/Al-LDH涂層層（淺層）;（b）橫斷面SEM圖像及對(duì)應(yīng)的Al和Mo的EDS元素映射;（c，d）高倍掃描電子顯微鏡圖像顯示Li/Al-LDH和MoS2的表面形態(tài)層;（e，f）水接觸角和擴(kuò)散行為;以及（g）單層LDH@Sponge和MoS2@Sponge的動(dòng)態(tài)接觸角材料隨著時(shí)間推移

圖2：（a）TEM和EDS映射，（b）Li/Al-LDH的HRTEM和SAED;（c） TEM和EDS映射，（d） MoS2的HRTEM和SAED;（e） 在400瓦太陽(yáng)模擬器下對(duì)Mo-LDH@Sponge的紅外熱成像;（f） MoS2的紫外可見(jiàn)近紅外光譜以及Li/Al-LDH;（g） MoS2的 Tauc 圖

圖3：（a）太陽(yáng)模擬器裝置及Li/Al-LDH中鋰嵌入機(jī)制示意圖;（b） 不同初始濃度（500、700和1000 mg/L）下的鋰吸附動(dòng)力學(xué);（c） 鋰及其他競(jìng)爭(zhēng)陽(yáng)離子（Na+、K+、Mg2+、Ca2+）的吸附;（d）分離系數(shù);（e）不同離子的選擇性系數(shù);（f） 不同材料在不同條件下的Li+捕獲能力隨時(shí)間變化;（g） EAG的時(shí)間相關(guān)演變，繪制在log10尺度上，以及EAG與累計(jì)水分流失的關(guān)系，以log10尺度顯示。

圖4：（a）質(zhì)量變化，以及（b）在不同初始Li+濃度下隨時(shí)間的蒸發(fā)速率;（c） 蒸發(fā)速率隨時(shí)間變化，（d） 太陽(yáng)到蒸氣的轉(zhuǎn)換效率，（e） 表面溫度變化，（f） 加熱速率，以及 （g） 不同太陽(yáng)強(qiáng)度下，1小時(shí)太陽(yáng)照射前后Mo-LDH@Sponge的紅外圖像。

圖5：（a）不同太陽(yáng)強(qiáng)度（0.33、0.67、1.00太陽(yáng)強(qiáng)度）下的鋰吸附動(dòng)力學(xué);（b）在不同太陽(yáng)強(qiáng)度下隨時(shí)間變化;（c）鋰離子與水分子之間的相互作用能;（d） RDF，顯示不同溫度下水分子在鋰離子周?chē)目臻g分布;（e） 不同Li+濃度下的RDF;（f） 不同溶液的表面張力測(cè)量;（g） 不同溫度下水分子的平均方擴(kuò)散（MSD）曲線;（h） 鋰離子和水分子的時(shí)變軌跡。

圖6：（a）雙功能鉬LDH@Sponge中鋰吸附機(jī)制的示意圖，該機(jī)制由太陽(yáng)蒸發(fā)增強(qiáng);（b-d）鋰/鋁-LDH在鋰吸附前后的高分辨率XPS光譜;（e）紫外-可見(jiàn)-近紅外光譜;（f）拉曼光譜;（g）MoS2的強(qiáng)度比變化日曬前后。

03

研究結(jié)論

這項(xiàng)研究成功開(kāi)發(fā)了一種Mo-LDH@Sponge復(fù)合材料，該材料將光熱界面蒸發(fā)與選擇性鋰吸附技術(shù)集成在單一平臺(tái)中，旨在從鹽水中高效回收鋰資源 。研究揭示，該系統(tǒng)的鋰捕獲過(guò)程主要受光熱界面加熱引發(fā)的“水合控制吸附”機(jī)制調(diào)節(jié) 。在適度光照條件下，光熱作用增強(qiáng)了水分蒸發(fā)，進(jìn)而促進(jìn)了鋰離子向吸附層的傳輸并顯著提高了吸附量 ；然而，過(guò)度的加熱會(huì)強(qiáng)化離子與溶劑的配位作用，形成更致密的水合殼層從而降低鋰離子的遷移率，最終導(dǎo)致吸附過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)閿U(kuò)散受限 。得益于層狀雙金屬氫氧化物（LDH）的表面化學(xué)性質(zhì)和尺寸排阻特性，該復(fù)合材料對(duì)鋰表現(xiàn)出顯著優(yōu)于二價(jià)陽(yáng)離子的選擇性，并在多次重復(fù)操作中展現(xiàn)出優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和可重復(fù)使用性 。總而言之，這種將界面光熱蒸發(fā)與水合調(diào)節(jié)吸附相耦合的創(chuàng)新方法，為從復(fù)雜水環(huán)境中規(guī)模化回收鋰及其他關(guān)鍵元素提供了一種切實(shí)可行的能源與資源耦合設(shè)計(jì)策略 。

04

DOI:10.1002/advs.202520066

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