『提锂技术』合肥工业大学 & 南昌航空大学 Advanced Materials:二硫化钼层间双筛分工程 实现高钠卤水中超快选择性提锂
随着新能源产业快速发展，市场对锂资源的需求持续激增，盐湖卤水、工业提锂尾液等高钠含卤水成为重要锂来源。传统沉淀、萃取、结晶等工艺在高钠体系中离子选择性差，吸附、膜分离技术又存在成本高、回收率低、易产生二次污染、材料再生困难等问题。二硫化钼凭借层状结构与高理论容量，在电化学提锂领域具备潜力，但常规二硫化钼层间距过大，无法区分半径相近的锂离子与钠离子，离子选择性极差。同时现有改性手段难以同时调控材料几何结构与电子分布，无法兼顾提锂速率、吸附容量与离子选择性，严重限制该类材料在高钠复杂卤水中的实际应用。本工作提出铝离子插层改性策略，对 1T 相二硫化钼开展层间双筛分结构设计。依靠铝离子插层收缩层间距，构建尺寸分级的硫 - 硫窄通道形成几何筛分效应，物理阻挡钠离子等大半径离子进入；同时铝原子在层内形成极化微区，构筑梯度电子通道实现电子筛分，选择性降低锂离子迁移能。优化后的铝插层二硫化钼电极，锂离子提取速率提升 4.3 倍，比容量达到 1869.62 mAh/g，锂钠分离系数高达 41.6。该双筛分机制同样对钾离子、钙离子、镁离子具备优异阻隔效果，在真实高钠卤水中连续循环仍保持稳定性能，为复杂锂资源的高效、选择性提取提供了全新材料设计思路。① 结构创新：通过铝离子插层精准调控二硫化钼层间距，形成多级硫 - 硫窄通道，依靠几何尺寸差异实现离子筛分，从物理层面抑制杂质离子共嵌入。 ② 机理创新：提出几何筛分 + 电子筛分协同的双筛分理论，阐明铝掺杂诱导电子重分布、构建梯度通道的作用机制，完整解析离子传输与吸附规律。 ③ 性能创新：材料兼具超高提锂速率、大吸附容量与优异离子选择性，对多种碱金属、碱土金属离子均有区分能力，综合性能优于传统提锂材料。 ④ 应用创新：体系适配真实高钠卤水，耐受不同酸碱度、多种阴离子环境，循环稳定性强，配套工艺经济可行，具备规模化产业化潜力。a 铝离子插层制备与结构演化示意图；b 不同铝含量样品 X 射线衍射图谱；c-g 原始相、不同铝掺杂样品高分辨透射电镜与层间距统计；h 拉曼光谱；i 原子分辨透射图像；j 元素分布映射图。1）一步水热法可同步实现钼价态转变、物相转换与铝离子插层，铝离子成功嵌入二硫化钼层间，未形成金属团聚体。 2）随着铝掺杂量提升，二硫化钼层间距由 7.73 Å 逐步收缩至 6.41 Å，层间结构被精准压缩，过量掺杂会引发晶格应变、层间距小幅回弹。 3）拉曼、原子成像与元素测试证实，铝离子均匀分布在层间，诱导物相完全转变为 1T 相，同时引发局部晶格畸变，为筛分通道构建奠定基础。b 原子尺度三维、二维结构重构图像与层间通道尺寸；c-d 原始样品与铝插层样品电荷密度分布；e 钼元素 X 射线光电子能谱；f 钼 K 边 X 射线吸收谱；g-h 扩展 X 射线吸收精细结构拟合曲线；i 不同离子吸附自由能对比；j 锂离子迁移过程电荷变化规律。 1）铝插层后形成 1.40 Å、1.51 Å、2.20 Å 多级硫 - 硫窄通道，2.20 Å 的外层通道可直接阻挡钠离子进入，实现几何筛分。2）铝原子形成极化微区，构建梯度电子通道，大幅降低锂离子吸附迁移能，同时显著提升钠、钾、钙、镁等离子的能垒。 3）电子结构测试证明铝掺杂改变钼元素价态与电子云分布，提升材料金属导电性，梯度电荷分布可持续驱动锂离子定向传输。a 不同样品循环伏安曲线；b 电化学活性面积统计；c 交流阻抗图谱；d 电荷转移、离子扩散阻力拟合结果；e 恒流充放电曲线；f 各样品可逆容量对比。 1）铝掺杂优化后的样品氧化还原响应更强，电化学活性面积达到峰值，界面电荷转移阻力显著降低，离子传输动力学大幅提升。 2）最优组分样品可逆比容量可达 1869.62 mAh/g，远高于原始二硫化钼，层间压缩与电子调控协同提升储锂能力。 3）掺杂过量会造成结构紊乱、阻抗回升，证明铝离子插层量存在最优区间。a 电化学提锂 - 解吸装置示意图；b 锂、钠离子提取容量对比；c 锂离子提取动力学曲线；d 锂钠分离系数；e 二元电解液长循环性能；f 多组分电解液提取数据；g 不同离子分离系数变化。1）在高钠模拟电解液中，最优样品锂离子提取量大幅提升，钠离子嵌入量被显著抑制，锂钠分离系数达到 41.6，较原始材料提升 11.2 倍。 2）材料提取动力学常数提升 4.3 倍，连续五次循环后容量无明显衰减，结构与选择性保持稳定。 3）面对钾、钙、镁等多种杂质离子，材料依旧表现出高选择性；镁离子因脱水能极高，仅少量发生共嵌入。a 实际高钠卤水离子组分；b 卤水体系多次循环提取数据；c 提锂产物碳酸锂 X 射线衍射图谱；d 本材料与文献提锂速率对比；e 工艺成本构成分析。 1）在钠锂摩尔比大于 7 的真实卤水中，材料连续 20 次循环提取容量稳定，钠离子共析出量低，可富集得到高纯度碳酸锂。 2）该材料提锂速率达到 1577.07 mg/(g・day)，综合性能领先目前主流提锂吸附 / 电极材料。 3）工艺能耗、原料成本可控，人力与场地开销为主要支出，规模化生产后具备明显经济优势。本工作利用铝离子插层技术对 1T 相二硫化钼进行层间改性，同步构建几何筛分与电子筛分双功能通道。层间收缩形成的多级硫 - 硫窄通道依靠尺寸效应阻挡钠离子、钾离子等大半径离子；铝诱导的极化梯度电子通道选择性降低锂离子迁移能，双重作用实现超高离子选择性。改性电极兼具超大比容量、超快提取动力学与优异循环稳定性，在二元混合电解液、多组分模拟电解液以及真实高钠卤水中均表现出色，对多种杂质离子都具备良好阻隔效果。该研究阐明了层间结构、电子分布与离子传输的内在关联，建立起层间限域工程的通用设计范式，不仅为高钠复杂卤水的选择性提锂提供了高性能电极材料，也为二维层状材料在离子分离、资源提取领域的应用提供了可借鉴的设计策略。Interlayer Dual-Sieving Engineering of Al-Intercalated MoS2 for Ultrafast and Selective Lithium Recovery from High-Sodium Lithium-Bearing Brine. Advanced Materials, 2026; https://doi.org/10.1002/adma.73654本文内容来源于学术研究论文，版权归原作者所有。转载旨在分享学术成果，仅供参考，不构成任何应用建议。如涉及作品内容、版权或其他问题，请及时联系处理。
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