锂作为关键战略资源，在锂离子电池和便携式储能设备中得到广泛应用。随着锂资源需求的不断增加，盐湖提锂成为解决我国锂资源短缺问题的有效途径之一。其中，电化学吸附法提锂因其速率快、容量大、环保等优势而备受关注。在电化学吸/脱附技术开发中，基于尖晶石结构的锰基材料一直作为典型研究对象。青海盐湖研究所盐湖资源化学实验室离子吸附分离科学与技术课题组，针对电吸附材料在实际应用面临的问题，通过对材料表面结构优化和吸附行为影响因素等深入研究，为优化锂离子电吸附材料的性能提供体系化解决方案，同时为电化学吸附提锂工艺开发提供科学基础。
????针对电化学吸附过程中电极内Li+扩散速率和电子转移速率不匹配，从而制约电极电化学活性的问题，设计和制备了离子和电子双导聚(乙烯醇)-聚苯胺(PVA-PANI)共聚物(CP)，并包覆到吸附剂颗粒表面，促进Li+扩散和电子转移，实现吸附效率的提高。HMO@CP电极具有优越的电化学活性和吸附效率，吸附容量高达49.48 mg/g。机理研究表明，PVA中带负电荷的羟基(-OH)可以富集Li+并加速Li+的扩散，PANI中的共轭结构和氧化还原活性醌类位点提供了更密集的电子分布促进电子转移（图1）。该工作以离子扩散和电子转移为出发点，以提高离子扩散速率和电子转移速率匹配度为导向，实现吸附效率的提高（ACS Nano,18 (2024) 31204-31214）。
除离子传输效率外，针对锰基电活性材料因电极极化导致的稳定性较差的问题，采用还原氧化石墨烯（rGO）与Nafion协同改性的策略制备得到高效稳定电化学吸附材料。rGO在增加材料分散性的同时大幅降低了材料极化，缓解极化过程带来的容量衰减，使得吸附容量和循环稳定性得到提升。研究表明Nafion通过主链与还原氧化石墨烯表面羧基结合，而支链磺酸基团（-SO3-）可以捕获因歧化反应溶出的Mn2+，从而使得材料表面局部Mn2+浓度升高（图2）。经过协同改性，材料30次循环容量保持率由79.04%提升至94.64%。该研究验证了离子捕获机制抑制歧化反应的可行性，能够为锰系材料在电化学分离过程中的溶损问题提供新的解决思路（Chem. Eng. J,497 (2024) 155009）。
????在材料改性的基础上，青海盐湖研究所科研人员针对环境温度影响电化学吸附热力学和动力学研究不够深入的问题，开展了逐步升温的策略（273.15到328.15 K），探究了温度如何影响液相中水合离子迁移，固液界面离子脱水合和电子转移，固相中离子扩散等行为的热力学和动力学（图3）。该研究通过升温强化了热力学和动力学，使吸附速率和吸附容量改善，且通过调节反应参数优化反应速率的策略也可用于电池、催化合能源等领域（Sep. Purif. Technol.355 (2025) 129631）。
由于孔径是影响离子传输的重要原因之一，针对致密吸附剂吸附效率低的局限，设计制备多孔大面积吸附剂，探究了多孔大面积球形结构如何强化电子转移、加强水合离子脱水合、强化离子扩散，以提升吸附容量和吸附速率（图4）。研究表明多孔吸附剂更易于被含锂溶液润湿，且电子转移在多孔表面更顺畅，揭示锂离子脱水合是吸热反应在多孔吸附剂表面更容易发生，多孔构造对锂离子扩散有强化作用。通过改善提升了吸附效率，使得多孔吸附剂在180 min达到24.23 mg/g的吸附容量（致密：19.28 mg/g）。该工作提出的多孔策略为提升效率、开发下一代吸附剂做出探索（Chem. Eng. J,497 (2024) 154859）。
青海盐湖研究所盐湖资源化学实验室离子吸附分离科学与技术课题组系统开展离子吸附材料及工艺开发取得积极进展，相关研究成果发表在ACS Nano，Chem. Eng. J， Sep. Purif. Technol. 等中国科学院一区TOP期刊上，成果得到了国家自然科学基金，中国科学院稳定支持基础研究青年团队计划项目，青海省自然科学基金，青海省科技成果转化专项，青海省“昆仑英才·高端创新创业人才”等项目支持。
文章链接：
????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
离子扩散和电子传输双通道强化锂吸附效率机理图
材料表面局域离子价态变化及离子捕获机理图
温度强化吸附热力学和动力学机理图
多孔强化锂离子吸附扩散和电子转移机理图
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