竞争性阳离子作用下丁酸插层铝锂层状双氢氧化物的结构演变机制与锂提取性能研究

本研究针对高Mg2+/Li+比盐湖卤水中锂提取难题，通过共沉淀法合成丁酸插层铝锂层状双氢氧化物（AlLi-LDH），系统揭示了Na+/Mg2+竞争下材料结构演变机制。发现Mg2+会引发不可逆相变（形成Mg(OH)2/MgCO3），而Na+仅表面吸附；丁酸插层虽提升锂吸附容量至13.74 mg·g?1，但加剧了Mg2+环境中的结构降解。该研究为高选择性锂吸附材料设计提供了新思路。

　　

随着全球新能源产业的爆发式增长，锂资源已成为支撑现代科技经济的战略性元素。然而，占全球锂资源总量70%的盐湖卤水普遍存在Mg²⁺/Li⁺质量比高达500:1的难题，传统吸附材料在竞争性阳离子环境中往往表现不佳。铝锂层状双氢氧化物（AlLi-LDH）因其独特的层状结构和离子交换特性被视为潜力材料，但面临吸附容量低（通常<10 mg·g^?1）、结构稳定性差等瓶颈。更棘手的是，Na⁺和Mg²⁺等竞争阳离子会通过不同机制干扰锂提取过程，但具体作用路径尚不明确。

为破解这一难题，研究人员通过共沉淀法创新性地将丁酸根插入AlLi-LDH层间，制备出层间距扩展至7.74 ?的新型材料。采用X射线衍射（XRD）精修、X射线光电子能谱（XPS）等表征手段，结合吸附实验发现：丁酸插层使锂吸附容量提升至13.74 mg·g^?1，但Mg²⁺会与层间CO₃^2?反应生成Mg(OH)₂/MgCO₃，导致不可逆的结构坍塌；而Na⁺仅表面吸附（2.00 mg·g^?1），材料框架得以部分保留。量子计算进一步揭示，丁酸插层引发的Li-O(H)-Al八面体畸变会放大Mg²⁺的结构破坏效应。该成果发表于《Journal of Water Process Engineering》，为高镁锂比卤水提锂提供了材料设计新范式。

关键技术方法包括：共沉淀法合成丁酸插层AlLi-LDH；Le Bail法精修XRD数据解析晶体结构；XPS分析表面元素化学态变化；HRTEM观察微观形貌演变；量子计算模拟阳离子-层板相互作用。

【Synthesis of AlLi–LDH】
采用LiOH·H₂O与NaAlO₂为原料，控制Al³⁺:Li⁺=2:1的摩尔比，引入4.00 g·L^?1丁酸实现阴离子插层，OH^?浓度设为Li⁺的7倍。

【Crystal structure of phases】
XRD精修证实丁酸插层使层间距从7.53 ?扩展至7.74 ?。HRTEM显示Li⁺被六个Al–OH八面体包围形成选择性吸附空腔，而Mg²⁺攻击导致层板羟基氧峰（533.6 eV）消失。

【Conclusion】
研究阐明Na⁺/Mg²⁺竞争下AlLi-LDH的差异化降解机制：Mg²⁺通过强水合能（ΔG_hyd=-1922 kJ·mol^?1）和化学侵蚀实现3.64×10⁶的分离系数，但代价是结构不可逆破坏；而Na⁺体系虽保持框架却仅获130.48的选择性。该发现不仅解释了传统LDH材料在盐湖提锂中的性能局限，更指导未来通过调控插层阴