传统盐湖提锂技术依赖太阳能蒸发浓缩，具有成本低廉优势，但先提钾后提锂工艺流程长，各阶段锂夹带损失大，导致提高锂收率成为盐湖资源开发的急切需求。近年来，电控吸附技术在直接提锂（Direct Lithium Extraction, DLE）上因其高效、绿色环保的优势，成为盐湖资源提取的重要发展方向。然而，在多离子竞争环境下实现锂离子的高选择性、离子高速传输及材料长期稳定性，仍是该领域面临的核心科学问题。针对上述挑战，中国科学院青海盐湖研究所刘忠研究员带领的离子吸附科学与技术团队，长期致力于盐卤离子分离材料、工艺、和装备的系统研发。团队在多类吸附材料研究中，钛吸附剂因离子选择性高，钛氧键结构稳定性好，其工业化前景十分广阔。但在实际电控吸附过程中，如何提高离子和电子传输，同步实现高吸附容量和高电化学反应速率，仍然是使用过程中面临的难题。
在提高吸附容量方面，研究团队通过表面配位环境（coordination environment）的调节策略，即不同晶面上四面体与八面体配位点分布的精确调控，实现对锂离子吸附动力学与容量的协同控制。同时揭示了锂离子在材料中的迁移机制：锂离子首先进入四面体位点作为“扩散入口”，随后逐步迁移至更稳定的八面体位点实现储存。阐明了富含四面体位点的(110)晶面能够降低锂离子进入材料结构的能垒，使锂离子快速进入材料内部，从而显著提升吸附速率；而具有更均衡配位环境的(111)晶面则能够提供更稳定的锂离子储存位点，从而实现更高的平衡吸附容量。该研究从原子尺度阐明了配位环境对锂离子吸附行为的调控机制，为高容量吸附材料设计提供思路。
在此研究基础上借助电控吸附技术，同时提高钛基吸附材料的吸附速率和吸附容量，并应用于盐湖直接提锂的技术开发。钛基吸附材料虽然结构稳定、选择性高，但在水体系中电化学活性较低，限制了其在电控吸附提锂中的应用。而具有相同晶体结构的锰基吸附材料电活性好而稳定性差，结合钛锰两者不同活性离子占位特征，提出了一种惰性材料电化学活化策略，开发出一种基于锰替代钛位点的尖晶石的新型钛基吸附材料（H₁.₃₃Ti₁.₁₇Mn₀.₅O₄）。该策略通过调控材料电子结构与锂离子迁移通道，使原本电化学惰性的材料转变为具有良好氧化还原活性的电极体系，材料的锂吸附容量可达 43.58 mg g⁻¹，并在复杂盐湖卤水体系中表现出较高的锂离子选择性，其中 Li/Na、Li/K、Li/Mg 和 Li/Ca 分离系数分别达到 420.6、202.6、62.2 和 73.8。具有从多离子盐湖卤水对锂高效富集潜力。
研究工作系统揭示了锂吸附材料中配位环境调控与电化学活化机制之间的关系，为开发兼具高选择性、高速动力学和高稳定性的直接提锂技术提供新思路，对盐湖资源绿色开发利用具有重要意义。相关研究成果青海盐湖研究所为第一单位，通过与国内外科研团队合作，分别以“Coordination Environment Engineering for Facet-Dependent Lithium Adsorption in Spinel Titanates” 为题发表于国际期刊《Nano Letters》，以及“Activating Lithium Titanate for High-Performance and Stable Electrochemical Direct Lithium Extraction” 为题发表于环境科学领域期刊《Environmental Science & Technology》。研究工作得到国家自然科学基金委、中国科学院及青海省科学技术厅的资助。
文章链接：
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
图1吸附剂材料中晶面调控诱导配位环境重构的结构设计策略示意图
图2 Mn在钛酸锂（LTO）中的位点效应与晶格调控机制
审核：葛飞