双相阴离子工程用于提高Li/Al-LDHs对锂的捕获能力

《Desalination》：Dual-phase anion engineering for boosting lithium capture by Li/Al-LDHs

锂铝层状双氢氧化物（Li/Al-LDHs）通过引入多价阴离子调控及层间修复策略，显著提升低盐度体系锂吸附能力。实验表明，在含2 g/L Mg2?的氯离子溶液中，引入硫酸根阴离子可使锂吸附量从0.40 mg/g增至5.83 mg/g。DFT计算证实高电荷阴离子增强溶液离子强度及吸附能。层间修复通过可溶氯离子置换积累的多价阴离子，维持循环稳定性。该策略突破低盐度体系锂吸附瓶颈，拓展Li/Al-LDHs应用前景。

　　随着新能源产业的迅速发展和锂离子电池的广泛应用，全球对锂的需求持续上升。锂资源在自然界中主要存在于盐湖、油田水和地热水等盐水体系中。因此，开发绿色、可持续的锂提取技术成为研究热点。目前，从盐水中提取锂的方法包括沉淀、膜分离、溶剂萃取、电化学和吸附等。其中，吸附方法因其高锂离子选择性、低能耗、工艺简单以及环境友好而被广泛采用。例如，锰基离子筛（LMOs）、钛基离子筛（LTOs）和锂铝层状双氢氧化物（Li/Al-LDHs）等吸附材料在实际应用中表现出良好的性能。

Li/Al-LDHs作为一种具有层状结构的吸附材料，其独特的酸性条件下的脱附能力使其在工业应用中具有重要地位。然而，在低盐度系统中，其锂吸附能力受到一定限制。为了克服这一问题，研究团队提出了一种基于阴离子调控的策略，以提高Li/Al-LDHs在低盐度环境下的锂吸附能力。实验结果表明，在含有2克/升Mg2?的氯化物溶液中引入硫酸根离子（SO?2?）后，Li/Al-LDHs的锂吸附能力显著提升，从0.40毫克/克增加到5.83毫克/克。这一现象可以通过密度泛函理论（DFT）计算进行解释，即溶液中的高电荷阴离子会增加离子强度和吸附能量，从而促进Li/Al-LDHs对锂的吸附。

此外，研究团队还开发了一种层间修复方法，通过引入易于脱附的氯离子（Cl?）来替代层间累积的二价阴离子，从而促进锂的释放并确保吸附材料的循环稳定性。多次循环后，Li/Al-LDHs仍能保持较高的吸附能力，这进一步验证了该策略在提升低盐度体系中锂吸附能力方面的有效性。这一策略不仅解决了Li/Al-LDHs在低盐度体系中吸附能力不足的问题，还拓宽了其在锂提取领域的应用范围。

在材料选择方面，研究团队使用了多种试剂，包括锂氯化物单水合物（LiCl·H?O）、铝氯化物六水合物（AlCl?·6H?O）、镁氯化物六水合物（MgCl?·6H?O）、氯化钠（NaCl）、硫酸锂单水合物（Li?SO?·H?O）、碳酸锂（Li?CO?）、硫酸镁七水合物（MgSO?·7H?O）、碳酸钠（Na?CO?）、氢氧化钠（NaOH）以及聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）。其中，聚氯乙烯（PVC）则来自上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

在阴离子调控方面，研究团队通过实验和理论分析，探讨了不同阴离子对Li/Al-LDHs锂吸附能力的影响。例如，在相同阳离子浓度下，Li/Al-LDHs在硫酸盐和碳酸盐溶液中的锂吸附能力分别达到2.90毫克/克和1.21毫克/克。这些结果表明，阴离子的种类对吸附性能具有重要影响，尤其是其电荷数。高电荷阴离子如硫酸根离子和碳酸根离子能够提供更强的离子强度，从而促进Li/Al-LDHs对锂的吸附。

为了进一步提升吸附性能，研究团队还实施了一种阴离子交换步骤，以去除层间累积的二价阴离子，并促进锂的脱附。这一方法不仅提高了Li/Al-LDHs的吸附能力，还确保了其在多次循环中的稳定性。通过实验验证和理论分析，研究团队明确了该策略的机理，并展示了其在低盐度体系中的应用前景。

在实验设计中，研究团队通过对比未处理的低离子强度氯化物体系与添加不同摩尔比的二价阴离子体系，评估了阴离子调控策略在水溶液环境中的可行性。同时，研究团队还探讨了二价阴离子在层间累积对锂吸附能力的影响，并采取相应的修复措施以维持吸附材料的性能。实验结果表明，该策略在提升Li/Al-LDHs的锂吸附能力方面具有显著效果，并且能够确保其在低盐度体系中的长期稳定性。

综上所述，这项研究提出了一种通过双阴离子调控来提升Li/Al-LDHs在低盐度体系中锂吸附能力的新策略。实验结果表明，通过增加相同浓度盐溶液中硫酸根离子和碳酸根离子的摩尔比例，可以显著提高Li/Al-LDHs的锂吸附能力，同时结合层间修复方法以确保吸附材料的循环稳定性。这一策略不仅克服了Li/Al-LDHs在低盐度体系中吸附能力不足的瓶颈，还拓展了其在锂提取领域的应用范围，为开发高效、环保的锂提取技术提供了新的思路。