Matter：可实现自驱动提锂的非织造材料

在“碳达峰”和“碳中和”的宏大使命之下，作为新能源汽车、3C消费电子和储能这些领域最不可或缺的能源金属，锂正在成为一种战略性资源。商业锂主要来自于陆地锂矿，存在数量有限且地理上分布不均的问题。作为一种大量且与地理位置无关的锂资源，海洋和盐湖卤水含有巨大的锂储量。现有提锂工艺基于离子置换吸附法的锂离子筛膜可实现对Li⁺的提取，但是传统锂离子筛膜的结构致密，液态锂源（海水/盐水）必须施加外部压力作为驱动力才能实现液体的穿透。因此，传统锂离子筛膜在提锂过程中会造成额外的能耗问题。

针对这些问题，上海科技大学刘巍教授（点击查看介绍）团队近日开发一种具有定向水渗透功能的复合不对称非织造材料（composite asymmetric nonwoven, CAN），CAN由一层含有锂离子筛（钛酸锂，Li₄T₅O₁₂）颗粒的疏水（聚偏氟乙烯，PVDF）纤维层和一层亲水（棉，cotton）纤维层组成（图1）。利用亲水/疏水纤维本征形貌与润湿性差异构建润湿梯度，直接依靠溶液重力与材料自身的毛细管压力差，引导液体穿透材料内的曲折孔道与离子筛颗粒接触，无需任何外部驱动力的情况下实现了锂离子的提取，这项工作有望为海水/盐湖提锂节省能源成本带来希望。相关成果近日发表与Cell Press细胞出版社旗下期刊Matter 上，第一作者为陈鑫，通讯作者为刘巍教授。

图1. 具有定向水渗透功能CAN的结构和应用示意图。

非对称亲水/疏水结构的制备与表征

研究人员通过水刺非织造加工工艺制备棉纤维层（亲水层），然后在其表面通过静电纺丝制备含锂离子筛的PVDF纳米纤维层（疏水层），最后通过热轧实现亲水层与疏水层的复合（图2）。

图2. CAN的制备过程和相关表征。

CAN的定向水渗透的特性

CAN在两面展示了完全不同的润湿性（图3），亲水面的接触角为~35°，而疏水面的接触角为~115°，这种非对称润湿结构导致CAN两面表现出不同的毛细效应。利用亲水/疏水纤维本征形貌与润湿性差异构建润湿梯度，当液体与疏水面接触时，在重力与材料自身的毛细管压力差的作用下，液体通过疏水提锂层内部通孔以及亲水纤维导流完成自主渗透；而当液体接触亲水面时，液体迅速扩散到整个表面，无法形成足够的高度克服疏水面毛细管压力，因而无法穿透CAN。因此，这种定向水渗透特性可以驱使含Li⁺水溶液在无任何外力的条件下穿透CAN。

图3. CAN的非对称亲水/疏水结构与定向水渗透的特性。

CAN在碱性含Li⁺溶液中的提锂特性

研究基于离子置换吸附法，CAN经酸化后，疏水层Li₄T₅O₁₂晶格中的Li⁺被H⁺置换取代；与碱性含锂溶液接触时，贫锂状态的CAN与Li⁺接触发生离子置换完成Li⁺吸附。结果显示，CAN对Li⁺溶液（pH=12，C_Li⁺ = 400 mg L^-1）的吸附容量可以达到~30.5 mg m^-2，此外，CAN 在多次循环的过程中表现出良好的稳定性。与其他提锂技术相比，提锂能耗比仅为~1.63 J mg^-1，CAN在吸附法提锂领域具有很高的成本效益（图4）。

图4. CAN在碱性含Li⁺水溶液中的提锂特性。

小结

本研究利用亲水/疏水纤维本征形貌与润湿性差异，引导液体穿透材料并与离子筛颗粒接触，无需任何外部驱动力的情况下实现了Li⁺的提取。为吸附法提锂提供了新的思路和研究方法，将进一步推动“盐湖/海水提锂”技术的发展。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Self-driven lithium extraction by directional liquid transport nonwoven

Xin Chen, Cong Wu, Yinjie Lv, Chang Zhang, Xinshui Zhang, Lu Nie, Yue Zhang, Lianqi Zhao, Chen Huang, Wei Liu

Matter, 2022, DOI: 10.1016/j.matt.2022.06.050

导师介绍

刘巍

https://www.x-mol.com/university/faculty/98942 

（本稿件来自Cell Press）