科研進(jìn)展
青海鹽湖所在有機(jī)電化學(xué)離子提取領(lǐng)域取得進(jìn)展
近日，中國(guó)科學(xué)院青海鹽湖研究所離子吸附科學(xué)與技術(shù)課題組在電化學(xué)離子提取領(lǐng)域取得新進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)低鋰品位鹵水具有高鈉、高鉀、高鎂等特點(diǎn)，導(dǎo)致傳統(tǒng)吸附材料在提鋰應(yīng)用中存在容量低、選擇性差、速率慢等問題，創(chuàng)新性地提出電活性有機(jī)分子離子吸附材料在鹽湖鹵水資源提取中的應(yīng)用，基于有機(jī)分子活性官能團(tuán)多、空間和電子結(jié)構(gòu)可調(diào)控的特性，實(shí)現(xiàn)離子的選擇性傳輸與配位，達(dá)到鋰離子的高容量選擇性提取。
針對(duì)高容量有機(jī)小分子電極因離子插層體積膨脹導(dǎo)致結(jié)構(gòu)坍塌失穩(wěn)的科學(xué)挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)開創(chuàng)性地提出基于分子間作用力網(wǎng)絡(luò)構(gòu)筑穩(wěn)定晶體結(jié)構(gòu)的新思路。以吩嗪為模型體系，研究證實(shí)正交垂直的分子堆疊方式可形成強(qiáng)分子間作用力網(wǎng)絡(luò)和具有離子選擇性的納米孔道。該結(jié)構(gòu)不僅能有效抑制體積膨脹帶來的機(jī)械失效問題，同時(shí)其產(chǎn)生的親鋰孔道在原子尺度對(duì)單價(jià)金屬離子（Li）具有優(yōu)先傳輸與選擇性性能，選擇性提鋰容量高達(dá)109 mg/g。該工作原創(chuàng)性地揭示了分子堆疊微結(jié)構(gòu)與電極材料的宏觀電化學(xué)穩(wěn)定性和離子選擇性之間的內(nèi)在物理化學(xué)規(guī)律，為設(shè)計(jì)新一代兼具高穩(wěn)定性、高選擇性、高通量的有機(jī)電化學(xué)離子捕獲材料奠定了重要理論基礎(chǔ)。
圖 1 區(qū)別于平行堆積結(jié)構(gòu)，正交垂直構(gòu)型的吩嗪具備強(qiáng)分子間作用力網(wǎng)絡(luò)
在鹵水資源電化學(xué)提取過程中，需兼顧電中性原則，因此高效提取伴生陰離子同樣重要。聚苯胺（PANI）憑借優(yōu)異的導(dǎo)電性和可逆摻雜特性，廣泛應(yīng)用于能源存儲(chǔ)、環(huán)境凈化和離子分離等領(lǐng)域。然而，傳統(tǒng)PANI因氮活性位點(diǎn)利用率低、微宏觀構(gòu)效關(guān)系不明確等問題，限制了其在高性能電化學(xué)脫鹽中的應(yīng)用。研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性發(fā)現(xiàn)聚合電位是調(diào)控其微觀結(jié)構(gòu)（如聚合度、鏈結(jié)構(gòu)、缺陷類型）的關(guān)鍵參數(shù)。通過原位電化學(xué)光譜等手段論證，采用“低電位”策略可有效抑制偶聯(lián)副反應(yīng)，制備出含納米尖端的低聚度線性結(jié)構(gòu)聚苯胺。該獨(dú)特結(jié)構(gòu)顯著提升了含氮位點(diǎn)的暴露效率和可接近性：實(shí)現(xiàn)突破性高容量氯離子吸附（Cl容量達(dá)339 mg/g）和鈉離子吸附（142 mg/g）。該工作顯著推動(dòng)了結(jié)構(gòu)可控聚合物的設(shè)計(jì)及其在電化學(xué)分離中的應(yīng)用。
圖 2 低電位聚苯胺具備線性微結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)宏觀結(jié)構(gòu)
上述研究得到中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)B項(xiàng)目(GrantXDB?1130301)、國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目?(22205147)、青海省青年基金?(2024-ZJ-952)、中國(guó)科學(xué)院青促會(huì)?(2023450)、青海省昆侖英才等項(xiàng)目的資助。
文章信息
- ?Nano letters,2025,25 (37),13900-13908.
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c03784
- ?Chemical Engineering Journal,2025,168274.
https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.168274
審核：葛飛
