用于高效从水溶液中吸附锂的金属有机框架材料——对比研究

《Next Materials》：Metal organic framework materials for efficient lithium adsorption from aqueous solution – comparative study

锂吸附材料研究：六种MOFs的锂吸附性能及再生分析。CPO-27(Ni)在12,000 ppm和36,000 ppm浓度下吸附容量分别为287.2和544.8 mg/g，再生后保留94%容量，并通过XPS和动力学模型证实其高效、可再生的机制。

　　锂作为一种关键的能源元素，在可充电电池、医药和工业应用中扮演着不可或缺的角色。随着电动汽车和可再生能源存储系统的广泛应用，锂的需求持续增长，这促使科学家不断探索更高效、环保的提取方法。传统的锂提取技术，如从矿物矿石和卤水中提取，往往需要大量的能源，并且对环境造成一定的损害。因此，寻找可持续替代方案成为研究的重点。金属-有机框架（MOFs）因其可调节的孔隙结构、化学稳定性和选择性吸附特性，逐渐成为一种具有潜力的吸附材料。

本研究重点分析了六种MOFs材料对锂离子的吸附性能，包括MOF-801、MOF-303、铝富马酸盐、MIL-53(Al)、MIL-100(Fe)和CPO-27(Ni)。其中，MOF-801、MOF-303、MIL-53(Al)、铝富马酸盐和CPO-27(Ni)此前尚未被报道用于锂吸附。通过合成和表征，这些MOFs在高浓度锂溶液中展现出优异的吸附能力。实验使用合成锂溶液，通过ICP-OES技术测量吸附前后的锂浓度，以确定吸附容量。此外，采用PXRD、SEM-EDS和XPS等手段对材料的结构和表面化学特性进行分析。

在12,000 ppm的锂浓度下，CPO-27(Ni)表现出最高的吸附容量（287.2 mg/g），其次是MOF-801（269.4 mg/g）和MOF-303（246.0 mg/g），这些数值显著高于文献中报道的其他MOFs吸附性能。为了进一步探索吸附能力的极限，实验将锂浓度提升至36,000 ppm。在这一条件下，CPO-27(Ni)和MOF-303的吸附容量分别达到544.8 mg/g和494.9 mg/g，显示出极高的吸附能力。这些结果表明，这些MOFs材料具有丰富的可接近吸附位点，并且与锂框架之间存在强烈的相互作用。

吸附动力学研究表明，CPO-27(Ni)的锂吸附过程遵循伪一阶模型，而平衡数据则更符合弗伦德利希等温线模型，表明其在非均质表面上可能发生多层吸附。热力学分析证实，该过程在研究条件下是放热且非自发的。此外，pH值对吸附性能的影响显示，pH为7时吸附效果最佳。再生测试表明，CPO-27(Ni)在三次吸附-解吸循环后仍能保留其初始吸附能力的94%。这些发现表明，CPO-27(Ni)及其他尚未被充分研究的MOFs在从水溶液中高效回收锂方面具有巨大潜力。

研究还发现，这些MOFs材料在不同pH值下的吸附性能存在显著差异。在酸性条件下（pH 3–5），由于氢离子（H?）与锂离子竞争吸附位点，吸附能力受到抑制。而在中性pH（pH 7）下，吸附能力达到峰值，随后随着pH值的升高而逐渐下降。这可能是由于在高pH环境下，锂离子形成氢氧化物或其他与钠离子（Na?）和氢氧根离子（OH?）竞争的物种，从而影响吸附效率。因此，控制溶液的pH值是设计高效锂回收系统的重要因素。

在吸附动力学方面，实验发现CPO-27(Ni)的吸附过程在短时间内达到平衡，表明其具有快速吸附的特性。此外，材料的结构稳定性在多次再生后依然保持良好，PXRD分析证实其晶体结构未发生明显变化。这些结果表明，CPO-27(Ni)不仅具有高吸附能力，还具备良好的再生性能，这为其在工业废水和卤水处理中的应用提供了理论支持。

总的来说，本研究揭示了CPO-27(Ni)、MOF-303和MOF-801等MOFs材料在锂吸附方面表现出的优异性能。这些材料不仅在高浓度锂溶液中具有出色的吸附能力，而且在中性pH条件下表现出最佳性能，同时具备良好的再生能力。这些特性使其成为一种高效的、可重复使用的锂回收材料。研究结果为设计高性能、可再生的吸附剂提供了重要的理论依据，有望在工业卤水处理和资源回收领域发挥重要作用。