综述：利用功能化碳材料进行可持续锂提取：吸附技术与集成工艺的潜力

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Sustainable Lithium Extraction using Functionalized Carbonaceous Materials: Potential for Adsorption Technologies and Integrated Processes

　　

摘要

受储能技术驱动日益增长的锂需求，已使选择性、高效且可持续的提取工艺变得迫切。传统锂回收方法面临诸多局限，包括高耗水、处理速度慢、选择性低以及环境隐忧。本文对功能化碳基材料进行批判性综述，包括生物炭、活性炭、碳纳米管、石墨烯基材料和碳气凝胶，评估其作为从卤水、工业废水和二次资源中回收锂的平台。重点关注表面功能化、孔结构、杂原子掺杂、离子印迹位点以及碳基复合材料如何影响Li?的吸附、选择性、再生以及直接提锂（DLE）系统的集成。综述强调，选择性锂回收主要取决于特定相互作用位点和工艺适配结构的设计，而非碳骨架的内在特性。尽管已有令人振奋的进展，但大多数报告的性能仍是在单一组分Li?溶液或简化的模拟卤水中获得的，在真实高离子强度体系中验证长期稳定性、选择性、再生能力和可扩展性方面仍存在关键挑战。本综述建立了一个集成的"结构—性质—机理—性能"框架，为下一代可持续锂回收碳基材料的理性设计提供了实用指导。

引言

锂因其在电动汽车、固定式储能和便携电子设备所用高能量密度锂离子电池中的核心作用，已成为全球能源转型的战略资源。尽管锂在陶瓷、玻璃、润滑剂和特种化学品等领域也有成熟应用，但电化学储能技术的快速扩张已对锂供应链造成巨大压力，并加剧了对耗水量、碳排放、废弃物产生及资源提取相关环境影响的担忧[1]、[2]、[3]、[4]。当前锂生产主要依赖硬岩矿物和高品位陆上卤水。硬岩加工通常需要大量能源和试剂，而基于太阳能蒸发的传统卤水提取工艺处理周期长，且强烈依赖气候和地理条件[3]、[5]。这些局限激发了对替代性水相锂资源的兴趣，包括地热卤水、海水淡化浓缩液、工业卤水和回收衍生流。然而，从这些基质中回收锂在技术上极具挑战，因为Li?通常以相对较低的浓度存在，同时伴随着大量过量的竞争离子，如Na?、K?、Mg2?和Ca2?。高Mg2?/Li?比、高离子强度以及Li?的强水合作用进一步增加了选择性分离的难度[6]、[7]、[8]、[9]。

因此，直接提锂（DLE）技术作为传统蒸发工艺替代方案应运而生。DLE涵盖吸附和离子筛分系统、离子交换、溶剂萃取、选择性膜以及旨在从复杂水相基质中直接回收Li?的电化学方法[10]、[11]、[12]。在这些策略中，基于吸附和电化学的系统尤为引人注目，因为它们可以模块化实施，并适应稀溶液或组成复杂的进料。然而，其实用性能取决于是否能够实现足够的Li?选择性、快速传质、化学与结构稳定性、高效再生以及在真实卤水条件下的持续运行。

功能化碳基材料为应对这些需求提供了多功能平台。生物炭、活性炭、碳纳米管、石墨烯衍生材料和碳气凝胶可提供可调的孔隙率、表面化学、电导率，并可与杂原子掺杂、配体接枝、离子印迹区域以及无机Li?选择性相兼容[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。然而，碳在锂回收中的作用并不一致。在某些体系中，碳表面通过静电相互作用、配位、孔限域或电吸附直接参与Li?吸附；而在碳支撑离子筛、离子印迹材料和复合电极中，主要选择性来源于非碳功能相。区分这些角色对于解释所报告的吸附容量和选择性值至关重要。

尽管进展迅速，但材料层面的性能与工艺相关的锂回收之间仍存在重要差距。许多研究仍依赖单一组分溶液或简化的模拟卤水，而pH值、Li?浓度、Mg/Li比、吸附剂用量、接触时间、再生方案和工艺构型的差异使不同材料之间的直接比较变得复杂[18]、[19]。此外，最大吸附容量常被强调，却未同等考虑选择性、再生稳定性、基质复杂性、可扩展性以及环境或经济影响。因此，本综述运用集成的"结构—性质—机理—性能"框架，对功能化碳基材料和碳支撑系统进行结构化批判性分析。综述比较了主要碳材料家族，区分了碳驱动与碳支撑的Li?捕获机制，评估了特定实验条件下的性能，并探讨了再生、真实卤水效应、工艺集成以及环境与经济技术经济考量。这一方法旨在为可持续DLE碳基平台的开发与评估建立设计导向的准则。

章节摘要

研究范围、文献检索与综述框架

本批判性综述采用结构化文献检索策略编制，聚焦于从水相来源（包括卤水、工业废水以及源自锂离子电池回收的二次流）中锂回收的功能化碳基材料。文献检索在Scopus、Web of Science、ScienceDirect和Google Scholar中进行，主要检索窗口涵盖2010年至2025年发表的文献。2010年之前发表的早期研究

碳基材料分类

用于锂回收的碳基材料可根据前驱体来源、孔结构、维度、表面化学、电导率和功能化潜力进行分类。该分类具有相关性，因为Li?吸附不仅由碳骨架控制，还受孔隙可及性、水合离子传质、表面电荷、活性位点密度以及掺入选择性功能相可能性的综合影响。因此，在此

碳基及碳支撑复合材料中的Li?捕获机制

图2提供了整合本章节所呈现讨论的概念框架。该框架并非将锂捕获机制独立看待，而是展示了材料设计、理化特性、操作条件和工艺性能之间的内在联系。Li?与碳基材料的相互作用受多种机制控制，这些机制可能同时或独立发挥作用，取决于材料特性及

用于选择性Li?捕获的碳基材料

从复杂盐水中选择性吸附锂离子（Li?）已成为高效、选择性和可持续回收这一关键金属的关键策略。在此背景下，碳基材料凭借其可调表面化学、高比表面积、结构多样性以及理性功能化能力，成为开发先进锂吸附剂的最多功能平台之一。这些特性使其尤其适合

与传统锂回收技术的比较

在锂提取技术不断演进的格局中，碳基吸附剂和电吸附系统已成为传统回收技术的有力替代方案，传统回收技术包括太阳能蒸发、化学沉淀、溶剂萃取、离子交换树脂、膜工艺和电化学路线。太阳能蒸发在高品位陆上卤水（如阿塔卡马和洪布雷穆埃尔托）中仍占主导地位，其优势在于运行成本低和被动能量输入，但

环境、经济和能源评估

任何新的锂提取技术要获得采用，不仅在技术层面，还必须在环境和经济层面证明其可持续性。本节我们从生命周期角度、经济可行性和与可持续发展目标的契合度三个方面进行阐述。传统锂提取因对安第斯高海拔水生态系统的影响而受到批评。尽管直接提锂（DLE）通过回注卤水有望减少水足迹，但该技术引入了新的

未来机遇与展望

碳基纳米材料及其复合材料因高比表面积、可调孔隙率和通过功能化增强锂离子（Li?）选择性的潜力，正成为DLE的有前景材料。多壁碳纳米管与锂离子印迹聚合物结合后，表现出对Li?相对竞争离子（如Na?和Mg2?）的高吸附容量和选择性，且经多循环后具有良好的再生性能[193]。如LiMn?O?等复合材料

结论

综述文献一致表明，碳基材料在锂回收中的性能不能仅从材料类型或吸附容量来理解，而应从表面化学、功能化策略、捕获机制、再生行为和操作条件之间的相互作用来理解。本综述对功能化碳基材料在锂回收中的作用进行了全面批判性分析，整合了来自

CRediT作者贡献声明

Kelvin Adrian Sanoja-Lopez：写作—审阅与编辑、写作—初稿、验证、调查、形式化分析。Oscar Navia-Pesantes：写作—审阅与编辑、写作—初稿、可视化。Talia Tene：写作—审阅与编辑、写作—初稿、形式化分析。Salvatore Straface：写作—审阅与编辑、写作—初稿、概念化。Cristian Vacacela Gomez：写作—审阅与编辑、写作—初稿、可视化、验证，

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

Kelvin Adrian Sanoja-Lopez|Oscar Navia-Pesantes|Diego Alberto-Casta?o|Cesar Suarez|Antonio José Boada|Diana Guaya|Talia Tene|Salvatore Straface|Cristian Vacacela Gomez

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