锂资源是支撑新能源电池、储能系统和电动汽车产业发展的关键战略资源。随着全球能源结构加速转型，开发高效环保的盐湖提锂技术以解决锂资源供需失衡是必然趋势。基于离子筛的吸附法提锂技术凭借高选择性和低成本的优势极具前景，然而，开发具有低传质阻力和高活性位点可及性的吸附剂是一项巨大的挑战。
近日，武汉大学邓红兵教授、董向阳弘毅博士后和广西大学蒋林斌教授团队在期刊《Small》上发表了最新研究成果“Achieving Near-Lossless Adsorption Capacity via Hierarchical All-Fibrous Strategy for Efficient Lithium Extraction”。广西大学化学化工学院硕士研究生刘玉坤和武汉大学资源与环境科学学院博士生石蕾为该研究共同第一作者。研究者通过静电纺丝和冷冻干燥过程，构建了一种分级全纤维结构的钛酸锂/纤维素泡沫（Electrospun LTO cellulose, 简称ELC泡沫）。得益于两级纤维结构，ELC泡沫展现出优异的锂吸附性能。具体而言，纤维素纤维骨架为材料提供稳定的结构支撑和开放的传质通道；而通过电纺得到的LTO纳米纤维最大限度暴露吸附位点。二者协同作用，使材料兼具高吸附容量、快速吸附动力学和优异循环稳定性。该工作不仅为高效盐湖提锂材料提供了新的结构设计范式，也为其他吸附剂和环境功能材料的宏观成型与性能保持提供了有价值的启示。
图1：ELC泡沫的制备策略与结构表征。
首先，通过静电纺丝和后续处理得到ELC泡沫，SEM图像显示，该材料具有典型的两级纤维结构，纤维素纤维表面负载着大量LTO纳米纤维。红外表征进一步证明，LTO纳米纤维与纤维素之间存在以氢键为主、多种弱相互作用协同增强的稳定界面结合，这种界面作用有助于提升材料在吸附脱附循环中的结构稳定性。
图2：ELC泡沫的吸附容量和吸附模型。
如图2所示，在最优条件下，材料的吸附容量可达到58 mg/g，接近理论容量，说明全纤维结构能够有效避免传统成型策略中常见的活性位点损失问题。吸附等温线拟合表明，ELC泡沫的吸附更符合Langmuir模型，说明其主要表现为单层吸附行为；同时，ELC泡沫表现出快速的吸附动力学，约1.5 h即可达到吸附平衡，动力学拟合则显示吸附过程更符合准二级动力学模型，表明化学吸附和H+/Li+离子交换过程在其中发挥重要作用。
图3：ELC泡沫的选择性和循环稳定性。
研究表明，ELC泡沫在混合离子体系中对Li+具有较高的选择性，其Li+分配系数远高于其他竞争离子。这主要归因于LTO骨架的结构记忆效应，说明全纤维结构成功继承了LTO的离子筛特性。在吸附脱附循环中，ELC泡沫表现出良好的稳定性，材料在5次循环后仍能保持较高的吸附容量。同时，钛溶出率维持在较低水平，这说明电纺得到的LTO纳米纤维具有较好的化学稳定性。同已经报道的锂吸附材料相比，所制备的ELC泡沫在较短平衡时间下仍保持较高的吸附容量，表现出较好的综合性能。
图4：实际应用及连续化提锂流程。
此外，在低锂浓度的模拟卤水体系中，ELC泡沫仍能保持约25 mg/g的吸附容量，并在5次循环后保持约90%的初始容量。这说明该材料具备应对复杂高盐环境的潜力。该研究还进一步提出了基于ELC泡沫的连续盐湖提锂流程设想，为构建可持续的盐湖提锂技术路线提供了参考。
论文链接：https://doi.org/10.1002/smll.73844
人物简介：
邓红兵，武汉大学资源与环境科学学院教授、博士生导师。先后入选教育部国家重大人才工程计划学者和国家高层次青年人才。担任武汉大学资源与环境科学学院副院长、生物质资源化学与环境生物技术湖北省重点实验室主任。聚焦生物质资源化学、生物质纤维功能化、生物医用纤维材料等领域，通过调控生物质纤维的自组装过程，实现了废弃生物质在环境污染治理、生物医学等领域的高附加值应用。先后在Science Advances、PNAS、Advanced Materials、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Functional Materials、ACS Nano、The Innovation等期刊发表第一或通讯作者SCI论文100余篇，累计引用9000余次，H指数59。主持国家高层次青年人才项目1项、国家自然科学基金5项；湖北省重点研发计划重点项目、湖北省杰出青年基金、国家863计划子任务、某部委重点项目和前沿创新项目各1项。
蒋林斌，广西大学化学化工学院教授，博士生导师，主要从事基础有机化学教学及科研工作，从事天然产物的开发及应用、高分子碳水化合物的改性及性能研究。主持广西壮族自治区科技厅自然基金重点项目1项、广西壮族自治区教育厅科研基金项目一项、南宁市科学技术局科研基金1项、校级项目三项，主要参与的区项目及校项目八项，国家自然基金项目一项(排名第三)，发表三十多篇论文，参编教材6本。
董向阳，武汉大学弘毅博士后，湖北省生物质资源绿色高效转化与高值化科技创新团队核心成员，聚焦生物质纤维在高盐土壤/水体修复与利用中的应用研究，取得了系列原创性研究成果。以第一/共同第一作者在Advanced Materials, ACS Nano, Nano Letters, Small等期刊发表SCI论文10篇，其中先后3篇入选ESI高被引论文，累计他引800余次。主持国家自然科学基金青年科学基金项目（C类）、湖北省博士后创新研究岗位项目各1项，获中国产学研合作创新与促进奖产学研合作创新成果奖二等奖1项，申请发明专利6项，授权专利3项。
