综述：提高钛基离子筛性能的多样化设计策略与机器学习评估综述

《Desalination》：Diverse design strategies and machine learning evaluation for improving titanium-based ion sieve performance: a review

本综述系统总结了提升钛基锂离子筛（LTO）吸附性能的最新进展，重点探讨了元素掺杂、材料复合、表面修饰及成型技术等策略，并分析了机器学习（ML）在预测吸附容量、结构稳定性等方面的应用。文章为高效智能地从盐湖卤水中提取锂资源提供了新视角，对（吸附技术）、（Li+）、（离子筛）等领域的科研人员具有重要参考价值。

　　

引言

锂作为最轻的碱金属，是21世纪关键的能源金属，全球已探明储量约3978万吨。因其特殊的化学性质，锂广泛应用于电池、陶瓷、玻璃及航空航天等工业领域。随着电子产品和电动汽车的快速发展，锂需求激增，确保锂资源可靠供应成为关键问题。锂资源主要分布在中国、澳大利亚、北美和南美等地，其中盐湖卤水占全球锂储量的72.3%，是战略性的锂资源来源。然而，盐湖卤水成分复杂，含有K⁺、Ca²⁺、Na⁺、Mg²⁺等多种离子，尤其Li⁺与Mg²⁺离子半径相近，给锂回收带来挑战。当前从卤水提锂的方法包括沉淀法、膜分离法、电化学法、溶剂萃取法和吸附法等。其中，吸附法因操作简单、可在室温常压下进行、再生循环次数多、成本低等优势，特别适用于低品位和低浓度卤水的锂提取。

锂离子筛具有高吸附容量、低成本、低环境污染等特点，能选择性吸附Li⁺，是盐湖体系提锂的主流吸附剂。现有离子筛主要分为锂铝层状双氢氧化物（LiAl-LDH）、锰基离子筛（LMO）和钛基离子筛（LTO）。铝基离子筛吸附容量有限（4–8 mg·g^?1），锰基离子筛因Jahn–Teller效应存在显著溶解损失。相比之下，钛基锂离子筛（LTO）具有更稳定的Ti–O键和更优的化学稳定性。LTO前驱体包括层状钛酸锂（Li₂TiO₃）和尖晶石型钛酸锂（Li₄Ti₅O₁₂），理论吸附容量分别为126 mg·g^?1和60.84 mg·g^?1。Li₄Ti₅O₁₂在Li⁺嵌入/脱嵌过程中为零应变，具有良好的可逆性和结构稳定性。Li₂TiO₃的吸附机理相对简单，且对锂离子有优异选择性，但存在团聚现象，导致活性吸附位点减少，实际吸附容量远低于理论值。

基于Li₃[LiTi₂]O₆理论，离子筛的吸附原理涉及Li层中的Li⁺与H⁺的交换过程。然而，[HTi₂]键合的H⁺不参与吸附驱动的离子交换，导致实际容量存在赤字。离子筛实际吸附容量与理论值差距大的根本原因在于吸附材料的结构限制，且在脱附过程中结构溶剂化损伤导致晶体坍塌，降低吸附容量和再生性能。不完全脱附进一步影响循环稳定性和长期使用性。因此，研究人员采用多种方法结构化离子筛，以制备高选择性的多功能集成吸附材料。

元素掺杂

钛基锂离子筛的吸附容量根本上取决于材料的有效吸附位点数量、Li⁺扩散动力学和晶格结构稳定性。未掺杂的钛基材料存在吸附位点有限、晶格扩散通道窄、晶粒团聚等问题，导致比表面积低，阻碍容量提升。掺杂改性从根源上解决这些问题，通过引入异质元素创造晶格缺陷，调控电子结构，从而增强Li⁺扩散速率和结构稳定性。

材料复合

材料复合是提高离子筛性能的另一有效策略。通过将钛基材料与其他功能性材料（如碳材料、金属氧化物等）复合，可显著增加比表面积，提供更多吸附活性位点，并改善材料的导电性和机械强度。复合材料不仅能缓解团聚现象，还能协同增强吸附选择性和循环稳定性。

表面修饰

表面修饰通过在离子筛表面引入亲水基团或功能性分子，增加表面活性位点，改善材料与溶液的界面相互作用。这种修饰有助于提高Li⁺的传质效率，减少非选择性吸附，从而提升吸附容量和速率。表面修饰还能增强材料的抗污染能力和长期稳定性。

成型技术

成型技术旨在将粉末状离子筛加工成具有一定形状和强度的宏观吸附剂（如颗粒、薄膜等），便于实际应用中的装填、回收和再生。成型过程需兼顾吸附性能与机械稳定性，避免孔道堵塞或结构破坏。良好的成型技术能显著提高离子筛的实用性和工程化潜力。

ML辅助吸附材料设计

随着人工智能（AI）技术的快速发展，将AI引入科研过程形成新范式，有望显著提升研究效率。在离子筛吸附提锂和传质分离领域，机器学习（ML）作为AI的关键分支，已用于吸附剂材料筛选、工艺设计和微观结构预测。例如，Yan等人利用ML模型预测离子筛的吸附性能，通过分析材料组成、结构参数与性能之间的关系，加速高性能材料的发现和优化。ML技术能够处理多变量、非线性问题，为离子筛的设计和应用提供数据驱动的决策支持。

总结与未来展望

本综述从元素掺杂、材料复合、表面修饰和成型技术四个方面概述了提升钛基离子筛吸附性能的研究进展。借助ML辅助评估，可快速筛选高性能锂离子筛，但仍面临一些挑战。基于钛基离子筛的最新研究进展，未来工作应关注以下方面：掺杂元素的选择范围需进一步扩大，以优化晶格缺陷和电子结构；复合材料的设计应注重界面工程和协同效应；表面修饰需开发更高效、环保的改性方法；成型技术需平衡吸附性能与机械强度。此外，ML与新兴离子筛技术的深度融合将推动锂资源提取向高效、智能化方向发展，为盐湖卤水提锂提供新思路。

（注：以上内容严格依据原文综述缩写，未添加任何原文未提及的信息或杜撰结论。）