AS | 通過光熱蒸發和水合控制吸附實現選擇性鋰回收

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研究背景

當前全球正面臨淡水資源短缺和關鍵金屬供應缺乏的雙重危機，這對可持續發展構成了顯著障礙 。作為現代儲能系統基石的鋰資源需求巨大，但其供應鏈十分脆弱且受地理限制 ；同時，全球仍有超過43億人缺乏可靠的清潔水源 。海水和鹽湖鹵水等鹽水資源中蘊含著大量的淡水和鋰，代表著巨大的未開發資源庫 ，但由于高鹽度和極微量的鋰濃度，直接利用這些資源非常困難 。如果能夠將鋰回收與海水淡化過程結合在一起，將為同時解決上述雙重資源挑戰提供一條變革性的途徑 。然而，傳統的提取技術（如沉淀、溶劑萃取、吸附或電化學分離）通常僅側重于鋰離子的選擇性捕獲，忽略了鹽水系統中發生的水蒸發和離子傳輸等界面動力學過程 。這使得現有方法在面對大量競爭離子的復雜環境中提取痕量鋰時，不僅耗能極高且效率低下 。

因此，如何利用太陽能等可持續能源同時驅動界面水蒸發和定向離子傳輸，以及如何構建一個整合了光熱轉換與鋰選擇性的多功能一體化平臺，成為了實現規模化資源回收亟待解決的關鍵科學問題 。

相關工作以“Selective Lithium Recovery via Photothermal Evaporationand Hydration-Controlled Adsorption”為題，發表在《ADVANCED SCIENCE》期刊上。（中科院一區TOP,JCR一區，IF=14.1）

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相關數據

圖1：Mo-LDH@Sponge材料的結構特征和表面潤濕性：（a） 帶有頂部MoS2的雙層結構示意圖-涂層層（暗色）和底層Li/Al-LDH涂層層（淺層）;（b）橫斷面SEM圖像及對應的Al和Mo的EDS元素映射;（c，d）高倍掃描電子顯微鏡圖像顯示Li/Al-LDH和MoS2的表面形態層;（e，f）水接觸角和擴散行為;以及（g）單層LDH@Sponge和MoS2@Sponge的動態接觸角材料隨著時間推移

圖2：（a）TEM和EDS映射，（b）Li/Al-LDH的HRTEM和SAED;（c） TEM和EDS映射，（d） MoS2的HRTEM和SAED;（e） 在400瓦太陽模擬器下對Mo-LDH@Sponge的紅外熱成像;（f） MoS2的紫外可見近紅外光譜以及Li/Al-LDH;（g） MoS2的 Tauc 圖

圖3：（a）太陽模擬器裝置及Li/Al-LDH中鋰嵌入機制示意圖;（b） 不同初始濃度（500、700和1000 mg/L）下的鋰吸附動力學;（c） 鋰及其他競爭陽離子（Na+、K+、Mg2+、Ca2+）的吸附;（d）分離系數;（e）不同離子的選擇性系數;（f） 不同材料在不同條件下的Li+捕獲能力隨時間變化;（g） EAG的時間相關演變，繪制在log10尺度上，以及EAG與累計水分流失的關系，以log10尺度顯示。

圖4：（a）質量變化，以及（b）在不同初始Li+濃度下隨時間的蒸發速率;（c） 蒸發速率隨時間變化，（d） 太陽到蒸氣的轉換效率，（e） 表面溫度變化，（f） 加熱速率，以及 （g） 不同太陽強度下，1小時太陽照射前后Mo-LDH@Sponge的紅外圖像。

圖5：（a）不同太陽強度（0.33、0.67、1.00太陽強度）下的鋰吸附動力學;（b）在不同太陽強度下隨時間變化;（c）鋰離子與水分子之間的相互作用能;（d） RDF，顯示不同溫度下水分子在鋰離子周圍的空間分布;（e） 不同Li+濃度下的RDF;（f） 不同溶液的表面張力測量;（g） 不同溫度下水分子的平均方擴散（MSD）曲線;（h） 鋰離子和水分子的時變軌跡。

圖6：（a）雙功能鉬LDH@Sponge中鋰吸附機制的示意圖，該機制由太陽蒸發增強;（b-d）鋰/鋁-LDH在鋰吸附前后的高分辨率XPS光譜;（e）紫外-可見-近紅外光譜;（f）拉曼光譜;（g）MoS2的強度比變化日曬前后。

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研究結論

這項研究成功開發了一種Mo-LDH@Sponge復合材料，該材料將光熱界面蒸發與選擇性鋰吸附技術集成在單一平臺中，旨在從鹽水中高效回收鋰資源 。研究揭示，該系統的鋰捕獲過程主要受光熱界面加熱引發的“水合控制吸附”機制調節 。在適度光照條件下，光熱作用增強了水分蒸發，進而促進了鋰離子向吸附層的傳輸并顯著提高了吸附量 ；然而，過度的加熱會強化離子與溶劑的配位作用，形成更致密的水合殼層從而降低鋰離子的遷移率，最終導致吸附過程轉變為擴散受限 。得益于層狀雙金屬氫氧化物（LDH）的表面化學性質和尺寸排阻特性，該復合材料對鋰表現出顯著優于二價陽離子的選擇性，并在多次重復操作中展現出優異的結構穩定性和可重復使用性 。總而言之，這種將界面光熱蒸發與水合調節吸附相耦合的創新方法，為從復雜水環境中規模化回收鋰及其他關鍵元素提供了一種切實可行的能源與資源耦合設計策略 。

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DOI:10.1002/advs.202520066

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