科研進展
青海鹽湖所在有機電化學離子提取領域取得進展
近日，中國科學院青海鹽湖研究所離子吸附科學與技術課題組在電化學離子提取領域取得新進展。研究團隊針對低鋰品位鹵水具有高鈉、高鉀、高鎂等特點，導致傳統(tǒng)吸附材料在提鋰應用中存在容量低、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(wěn)的科學挑戰(zhàn)，研究團隊開創(chuàng)性地提出基于分子間作用力網絡構筑穩(wěn)定晶體結構的新思路。以吩嗪為模型體系，研究證實正交垂直的分子堆疊方式可形成強分子間作用力網絡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的機械失效問題，同時其產生的親鋰孔道在原子尺度對單價金屬離子（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電化學穩(wěn)定性和離子選擇性之間的內在物理化學規(guī)律，為設計新一代兼具高穩(wěn)定性、高選擇性、高通量的有機電化學離子捕獲材料奠定了重要理論基礎。
圖 1 區(qū)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絡
在鹵水資源電化學提取過程中，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域。然而，傳統(tǒng)PANI因氮活性位點利用率低、微宏觀構效關系不明確等問題，限制了其在高性能電化學脫鹽中的應用。研究團隊創(chuàng)造性發(fā)現聚合電位是調控其微觀結構（如聚合度、鏈結構、缺陷類型）的關鍵參數。通過原位電化學光譜等手段論證，采用“低電位”策略可有效抑制偶聯副反應，制備出含納米尖端的低聚度線性結構聚苯胺。該獨特結構顯著提升了含氮位點的暴露效率和可接近性：實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）。該工作顯著推動了結構可控聚合物的設計及其在電化學分離中的應用。
圖 2 低電位聚苯胺具備線性微結構和納米結構宏觀結構
上述研究得到中國科學院先導B項目(GrantXDB?1130301)、國家自然科學基金青年項目?(22205147)、青海省青年基金?(2024-ZJ-952)、中國科學院青促會?(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
