科研進(jìn)展
青海鹽湖所在有機電化學(xué)離子提取領(lǐng)域取得進(jìn)展
近日，中國科學(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。研究團隊針對低鋰品位鹵水具有高鈉、高鉀、高鎂等特點(diǎn)，導致傳統吸附材料在提鋰應用中存在容量低、選擇性差、速率慢等問(wèn)題，創(chuàng )新性地提出電活性有機分子離子吸附材料在鹽湖鹵水資源提取中的應用，基于有機分子活性官能團多、空間和電子結構可調控的特性，實(shí)現離子的選擇性傳輸與配位，達到鋰離子的高容量選擇性提取。
針對高容量有機小分子電極因離子插層體積膨脹導致結構坍塌失穩的科學(xué)挑戰，研究團隊開(kāi)創(chuàng )性地提出基于分子間作用力網(wǎng)絡(luò )構筑穩定晶體結構的新思路。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。該結構不僅能有效抑制體積膨脹帶來(lái)的機械失效問(wèn)題，同時(shí)其產(chǎn)生的親鋰孔道在原子尺度對單價(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109 mg/g。該工作原創(chuàng )性地揭示了分子堆疊微結構與電極材料的宏觀(guān)電化學(xué)穩定性和離子選擇性之間的內在物理化學(xué)規律，為設計新一代兼具高穩定性、高選擇性、高通量的有機電化學(xué)離子捕獲材料奠定了重要理論基礎。
圖 1 區別于平行堆積結構，正交垂直構型的吩嗪具備強分子間作用力網(wǎng)絡(luò )
在鹵水資源電化學(xué)提取過(guò)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)異的導電性和可逆摻雜特性，廣泛應用于能源存儲、環(huán)境凈化和離子分離等領(lǐng)域。然而，傳統PANI因氮活性位點(diǎn)利用率低、微宏觀(guān)構效關(guān)系不明確等問(wèn)題，限制了其在高性能電化學(xué)脫鹽中的應用。研究團隊創(chuàng )造性發(fā)現聚合電位是調控其微觀(guān)結構（如聚合度、鏈結構、缺陷類(lèi)型）的關(guān)鍵參數。通過(guò)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，制備出含納米尖端的低聚度線(xiàn)性結構聚苯胺。該獨特結構顯著(zhù)提升了含氮位點(diǎn)的暴露效率和可接近性：實(shí)現突破性高容量氯離子吸附（Cl容量達339 mg/g）和鈉離子吸附（142 mg/g）。該工作顯著(zhù)推動(dòng)了結構可控聚合物的設計及其在電化學(xué)分離中的應用。
圖 2 低電位聚苯胺具備線(xiàn)性微結構和納米結構宏觀(guān)結構
上述研究得到中國科學(xué)院先導B項目(GrantXDB?1130301)、國家自然科學(xué)基金青年項目?(22205147)、青海省青年基金?(2024-ZJ-952)、中國科學(xué)院青促會(huì )?(2023450)、青海省昆侖英才等項目的資助。
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
