本研究由哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室的Yu Han、Jiaxiang Ma、Dongqing Liu、Yan Yang、Tao Zhang、Jun Ma以及Wei Wang（通讯作者）等人，联合中国科学院青海盐湖研究所、东北林业大学、中国科学院理化技术研究所的研究人员共同完成。该论文发表于ACS Nano期刊，于2024年3月12日在线发表，收录于该期刊第18卷第9071至9081页。

从学术背景来看，该研究属于液态锂资源提取领域，聚焦于离子筛吸附剂（ion-sieve adsorbent）在天然近中性条件下吸附性能受限的关键科学问题。锂被称为支撑绿色能源战略的“白色石油”，而全球大部分锂资源以离子形式赋存于海水和盐湖中。然而，这些液态锂资源通常锂浓度低且含有大量镁离子等杂质，对高选择性提取技术提出了迫切需求。尖晶石型氢锰氧化物（hydrogen manganese oxide，HMO）等离子筛吸附剂虽具有优异的锂离子选择性，但其高效工作通常依赖强碱性条件（pH约11）。在海水或盐湖的天然近中性pH条件下，锂离子置换过程中原位释放的氢离子会在吸附剂周围富集并与锂离子竞争吸附位点，同时镁离子因缺乏氢氧根离子的屏蔽作用而干扰加剧，导致吸附容量和选择性严重下降。因此，如何构建在天然pH条件下仍能高效提锂的离子筛吸附剂是该领域亟待突破的瓶颈。

针对上述问题，该研究提出了微环境调控（microenvironment modulation）策略，通过将季铵基团引入壳聚糖多孔载体中，制备了具有微环境调控功能的复合吸附剂（AQ-chitosan/HMO）。具体研究流程包括材料制备、结构表征、吸附性能测试、机理验证以及实际应用评估五个主要环节。在材料制备阶段，研究者将壳聚糖与季铵化壳聚糖按不同比例溶解于含乙酸的弱酸性水溶液中，并与酸洗脱后的HMO分散液混合，通过滴入碱性凝固浴形成凝胶微球，再经戊二醛交联和冷冻干燥构筑多孔结构。使用前，吸附剂需在氢氧化钠溶液中活化，利用季铵基团对氢氧根离子的强结合作用将其预存于吸附剂内部。通过扫描电镜、能谱、X射线衍射、傅里叶变换红外光谱、氮气吸附脱附及热重分析等手段，确认了HMO成功负载于载体中，负载量约45%，吸附剂比表面积为31.02 m²/g，具有连通的大孔结构。在吸附性能测试阶段，研究者系统考察了不同季铵化比例和HMO掺杂量对吸附容量的影响，确定125%季铵化壳聚糖掺杂量为优化条件。在pH 8、锂离子初始浓度25 mg/L条件下，AQ-chitosan/HMO的吸附容量约为HMO的3.8倍，饱和吸附容量达18.12 mg/g，而HMO仅为4.53 mg/g。吸附等温线更符合Langmuir模型，表明吸附过程为单层化学吸附。选择性测试显示，在含锂、钠、钾、钙、镁各3.57 mmol/L的混合溶液中，AQ-chitosan/HMO对锂镁分离因子最高可达商业HMO的33倍。碱耗计算表明，在锂离子浓度25 mg/L、镁锂质量比45的溶液中，微环境调控策略的碱耗仅为传统加碱法的1/144。吸附动力学符合准二级动力学模型，且AQ-chitosan/HMO的锂离子扩散速率较商业HMO提高360%。在机理研究阶段，通过Zeta电位测试发现季铵基团的引入使吸附剂表面由负电荷转变为正电荷，即便负载氢氧根离子后表面仍带正电。分子动力学模拟揭示了正电场对离子的差异化作用：锂离子具有最小的离子势（0.015 pm⁻¹），所受静电排斥最弱；镁离子（0.031 pm⁻¹）和氢离子（0.045 pm⁻¹）因离子势较大而受到更强的静电排斥。同时，正电场加速了氢离子向远离吸附剂方向的扩散，并显著降低了镁离子的扩散速率，而对锂离子扩散影响较小。此外，溶液pH监测实验证实，在含锂离子的溶液中，吸附过程中溶液pH逐渐下降，说明吸附产生的氢离子被预存的氢氧根离子原位中和。在实际应用评估阶段，研究者采用盐湖卤水和反渗透浓缩海水进行了测试。在盐湖卤水（pH约7）中，AQ-chitosan/HMO对锂的分配系数达165.99，而其他离子的分配系数均小于3；在浓缩海水中锂提取率达98%，其他离子提取率低于4%。固定床动态吸附实验表明，该吸附剂在10次循环使用后锂回收率仍超过90%，且锰溶出量始终维持在低水平，使用后XRD特征峰位置和数量未发生明显变化，证明其结构稳定性良好。

研究结论指出，微环境调控吸附策略成功赋予了传统锂离子筛吸附剂从单一尺寸筛分功能向尺寸与离子势双重筛分功能的转变。通过季铵基团的正电场选择性排斥氢离子和镁离子，同时预存氢氧根离子原位中和吸附释放的氢离子，该策略在天然pH条件下将吸附容量提升4倍、锂镁分离因子提升最高33倍，并将碱耗降低至传统方法的1/144。此外，吸附剂以天然可降解聚合物为原料、水为溶剂在室温下制备，全生命周期环境足迹较小，并可大幅减少碱性废水产生。该研究为下一代受pH严重影响的吸附剂的设计提供了重要参考。

本研究的亮点在于：首次将微环境调控概念系统应用于锂离子筛吸附剂，通过季铵基团的双重作用——静电排斥与原位储碱——同时解决了氢离子富集抑制和镁离子竞争吸附两大难题；分子动力学模拟与实验相结合，从离子扩散和静电作用层面揭示了微环境调控的增强机制；在真实盐湖卤水和浓缩海水中验证了该吸附剂的实用性和循环稳定性。此外，该工作还展示了绿色制备工艺在吸附材料全生命周期中的应用潜力，为液态锂资源的高效、低耗、环境友好提取提供了新思路。