上科大刘巍Matter:自驱动提锂非织造材料

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第一作者:陈鑫 博士(上海科技大学)

通讯作者:刘巍 教授(上海科技大学)


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。从海水/盐水中提取锂引起了广泛的关注。


尽管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。


【工作介绍】

鉴于此,刘巍教授团队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)。这项工作无需任何外部驱动力的情况下实现了锂离子的提取,有望为海水/盐湖提锂节省能源成本带来希望,相关成果以“Self-driven lithium extraction by directional liquid transport nonwoven”为题发表在国际期刊Matter上。上科大博士后陈鑫为论文第一作者,刘巍教授为论文的通讯作者。


【内容表述】

1. 非对称亲水/疏水结构的制备与表征

本研究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1)。结构表征结果显示,Li4T5O12颗粒仅分布在提锂疏水层,CAN为双层结构。

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图1:CAN的制备过程和相关表征。


2. 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2),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。

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图2:CAN的非对称亲水/疏水结构与定向水渗透的特性。


3. 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3)。

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图3:CAN在碱性含Li+水溶液中的提锂特性。


Xin Chen,Cong Wu,Yinjie Lv,Chang Zhang,Xinshui Zhang,Lu Nie,Yue Zhang,Lianqi Zhao,Chen Huang,Wei Liu*. Self-driven lithium extraction by directional liquid transport nonwoven. Matter 2022.

https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.06.050


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参考文献: