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Matter:可实现自驱动提锂的非织造材料

研究亮点:

1. 复合不对称非织造布 (CAN) 实现自驱动Li+提取。

2. CAN 自主渗透无需施加外部压力作为驱动力,从而节省了能源成本。

3. CAN 的设计简单性、具有良好的化学稳定性和永久定向水渗透功能。


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,CLi+ = 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

Matter2022, 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


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