锂锰氧化物插层电极在电容去离子技术中实现海水淡化浓盐水锂资源高效回收

为解决全球锂资源短缺问题，研究人员开发了基于锂锰氧化物(LiMn2O4, LMO)阴极的电容去离子(CDI)系统，通过高温固相法合成的LMO电极在1.1V电压下实现16.14mg·g-1的锂电吸附容量，对Na+的选择性高达99.98%，为海水淡化副产物资源化提供了双效益解决方案。

　　

随着电动汽车和可再生能源存储需求的爆发式增长，锂作为"未来战略金属"的地位日益凸显。然而传统锂提取方法面临巨大挑战：盐湖卤水提锂需要12-18个月太阳能蒸发，化学沉淀法产生大量含镁废渣，而离子交换和溶剂萃取又存在能耗高、选择性差等问题。更棘手的是，全球58%的锂资源存在于盐湖卤水和海水中，但海水淡化产生的浓盐水通常被直接排放，造成资源浪费和环境风险。

中国研究团队创新性地将电池材料领域的锂锰氧化物(LiMn₂O₄, LMO)应用于电容去离子(CDI)系统。通过高温固相法合成具有尖晶石结构的LMO纳米颗粒，将其与活性炭(AC)组成不对称电极(LMO||AC)，利用LMO的三维锂离子通道实现选择性提取。研究采用循环伏安法(CV)和电化学阻抗谱(EIS)优化电极性能，通过扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)表征材料结构，并在模拟卤水(锂钠摩尔比1:30)和埃及Matrouh海水淡化厂实际浓盐水中测试电吸附性能。

材料表征确认LMO的立方尖晶石结构

傅里叶变换红外光谱(FTIR)在512cm^-1和608cm^-1处显示Mn-O键特征峰，XRD证实合成材料为Fd-3m空间群结构。氮气吸附测试显示LMO比表面积为18.638m²·g^-1，粒径分布分析表明平均粒径为62.69nm。

电化学性能验证70%LMO负载量最优

循环伏安测试显示70%LMO负载量电极在0-1.1V电压窗口具有最高比电容(39.67F·g^-1)，电化学阻抗谱证实该比例下电荷转移电阻最低。接触角测试表明CDI处理后电极亲水性增强(从93.6°降至89.9°)。

实际卤水处理展现卓越选择性

在4000ppm总溶解固体(TDS)的实际卤水中，LMO电极对Li⁺的电吸附容量达到16.14mg·g^-1，分别是Na⁺、K⁺、Mg²⁺的2.2倍、4.78倍和5000倍。分离因子α_Li^Mg在Mg²⁺/Li⁺比例20:1时仍保持优异选择性。

系统稳定性与能耗表现突出

经过100次充放电循环后仍保持87%的初始容量，单位锂离子提取能耗仅1.89Wh·mol^-1，XRD显示循环后材料保持立方相结构，仅发生轻微晶格膨胀(体积从530.58?³增至555.64?³)。

该研究开创性地将电池材料与脱盐技术结合，解决了传统方法在锂镁分离中的瓶颈问题。LMO电极通过Mn³⁺/Mn⁴⁺氧化还原对的协同作用，实现了对水合锂离子的特异性识别，其分离效率是常规活性炭电极的5.97倍。采用再生铝箔作为集流体，既降低了成本又促进废物利用。这项技术为海水淡化厂提供了"水处理-资源回收"的双重解决方案，推动循环经济发展，其模块化设计特别适合与太阳能等可再生能源耦合，为可持续锂供应链建设提供了新范式。