本研究由北京理工大学化学与化工学院及分析测试中心的Karim Youssef Nabat、Ali Raza Ayub、Hongwei Ma、Niu Zhang、Xiyan Xu、Hansheng Li、Hui Li等人完成，发表于*Chemical Engineering Journal*第541卷，文章编号177584，于2026年5月25日在线发表。
一、研究背景与目的
锂及其化合物在玻璃、陶瓷、制药、航空航天以及锂离子电池等领域具有广泛用途。全球锂资源主要以盐湖卤水、伟晶岩和沉积矿床三种形式存在，其中盐湖卤水占66%。然而，锂的高溶解性和迁移性使其成为值得关注的环境污染物，慢性暴露可导致水生生物氧化应激、神经缺陷和生殖毒性。传统提锂方法如共沉淀、纳滤、溶剂萃取和吸附等均存在效率低、耗时长、环境危害或规模化困难等局限。近年来，电化学方法和吸附法受到关注，但已报道的多数吸附材料存在合成复杂、成本高或缺乏可持续性评估等问题。因此，开发兼具高效吸附性能和全生命周期评价的生物复合材料成为迫切目标。本研究旨在通过分子设计合成一种新型席夫碱功能化生物复合材料，实现对锂离子的高效选择性吸附，并系统评估其环境与经济可行性。
二、研究流程与实验方法
研究首先合成了新型席夫碱配体（E）-2-（（2-溴-6-羟基亚苄基）氨基）乙酸，命名为LG。合成以6-溴-2-羟基苯甲醛与L-甘氨酸在无水乙醇中于室温下缩合反应完成，产物经乙醇重结晶纯化，收率92.4%，并通过FTIR和¹H NMR进行表征。
随后制备了CPPC-LG复合吸附材料。先将聚乙烯醇（PVA，平均分子量30,000–70,000）与羧甲基纤维素钠（Na-CMC，粘度300–800 mPa·s）分别溶于去离子水，按照一定比例混合并超声处理，再加入聚乙二醇（PEG，平均分子量6000）和柠檬酸作为交联剂，搅拌2小时以获得CPPC基质。之后将LG配体溶解于乙醇并加入CPPC溶液中搅拌3小时，通过氢键作用将LG固定在CPPC基质中，最后在室温下蒸发溶剂得到CPPC-LG复合膜。
在吸附实验中，将CPPC-LG投入含锂溶液中，调节pH并置于恒温水浴摇床中以160 r/min转速进行吸附。锂离子浓度通过ICP-MS测定。研究系统考察了吸附剂用量、pH、接触时间、初始浓度和温度对吸附性能的影响。为评估实际应用潜力，还在模拟真实盐湖卤水中进行了竞争离子选择性实验。循环再生实验以0.1 mol/L硝酸为洗脱液，经过6次吸附-脱附循环评估材料可重复使用性。
此外，研究还进行了锂-LG配合物单晶培养，将LG配体溶液与硝酸锂溶液混合后缓慢蒸发获得黄色单晶。通过X射线衍射、SEM、EDS、FTIR、TGA、BET和XPS等多种手段对材料进行了表征。理论计算采用Gaussian 16软件，在B3LYP/6-31G(d,p)水平上进行DFT计算，分析了前线分子轨道、非共价相互作用、分子静电势和自旋密度。生命周期评价使用openLCA 2.5软件，结合ecoinvent v.3.7、ELCD v.3.2等数据库，以生产1 kg CPPC-LG为功能单位，采用CML-IA baseline和IPCC GWP 100a两种方法评估了全球变暖潜势、酸化潜势、非生物耗竭潜势、富营养化潜势、臭氧层耗竭潜势、光化学臭氧形成潜势和一次能源需求等七类环境影响指标。成本分析则基于原材料成本和再生循环成本进行计算。
三、主要结果与讨论
材料表征结果显示，SEM图像表明CPPC原始聚合物表面致密且孔隙率低，而经LG功能化后，CPPC-LG表面发生显著重构，形成高度多孔的互连网络结构。EDS元素映射证实氮和溴元素均匀分布于复合基质中，表明席夫碱配体成功且均匀地固定在聚合物基体内。氮气吸附-脱附等温线呈IV型，BET比表面积为32.38 m²/g，BJH分析显示孔径约为36.81 nm，确认了介孔结构的存在。TGA分析表明CPPC-LG的热稳定性明显优于未功能化的CPPC。XRD图谱中特征峰的强度增强和位移进一步证实了席夫碱配体与聚合物基质间的氢键相互作用。FTIR谱图中约1640 cm⁻¹处新峰的出现和1700 cm⁻¹处C=O峰强度的降低，证明了柠檬酸中的羧基与LG中的胺基反应形成亚胺键。
吸附实验表明，吸附剂最佳用量为0.2 g/L。pH对吸附影响显著，在pH 6.0时达到最高吸附容量157.1 mg/g。Zeta电位分析显示CPPC-LG的等电点约为pH 3.34，在pH高于等电点后材料表面去质子化并带负电，有利于对锂离子的静电吸引。吸附动力学在14小时后达到平衡，吸附容量为157.1 mg/g。动力学数据最好地符合准二级动力学模型，R²=0.994，表明吸附过程以化学吸附为主导。Furusawa-Smith膜扩散模型拟合的R²=0.995，表明液膜扩散为速率控制步骤。吸附等温线数据最符合Langmuir模型，R²=0.997，表明锂离子在CPPC-LG表面以单分子层形式吸附。在25°C、初始浓度300 mg/L条件下吸附容量达186.4 mg/g，在328 K时进一步提高至199.7 mg/g。热力学分析显示ΔH°为正值，表明吸附为吸热过程；ΔS°为正值，说明吸附过程中熵增加；ΔG°为负值，证明吸附反应自发进行。
选择性实验中，在含Li(I)、K(I)、Na(I)、Ca(II)和Mg(II)等摩尔浓度的人工混合溶液中，CPPC-LG对锂离子的分配系数为729.7 mL/g，远高于其他竞争离子，选择性因子最高达100。在模拟真实盐湖卤水中，分配系数高达2369.1 mL/g，吸附容量为51.6 mg/g，表现出优异的选择性。循环再生实验显示，6次循环后吸附容量从157.1 mg/g降至121.9 mg/g，脱附效率保持在88%以上。FTIR、XRD和EDS表征证实吸附剂在循环后结构和化学组成保持稳定。
吸附机理研究表明，XRD谱图中吸附后出现新的增强峰，FTIR中在477.3 cm⁻¹和598.6 cm⁻¹处出现Li-O键的特征峰，XPS分析中Li 1s轨道出现Li-O和Li-OH两个峰，进一步证实了锂与配体中氧原子的配位作用。单晶结构解析显示LG-Li配合物为单斜晶系，P21/c空间群，锂离子处于扭曲的四面体配位环境中，Li-O键长在1.915 Å至1.958 Å之间。DFT计算结果表明，LG配体与锂离子络合后HOMO-LUMO能隙从4.24 eV降低至3.03 eV，NCI分析揭示了氢键和范德华相互作用的存在，MEP分析显示配体中氧原子为亲核中心，自旋密度分析进一步证实了配位作用。
生命周期评价结果显示，生产1 kg CPPC-LG的综合环境影响为：全球变暖潜势79.64 kg CO₂当量，一次能源需求为1265 MJ，为主要贡献指标。在原材料中，乙醇对多数环境影响类别的贡献最大，占全球变暖潜势的81.80%。成本分析表明，CPPC-LG用于锂吸附的最终成本为0.0088美元/毫克，整体可重复使用成本较低。
四、结论与研究价值
本研究通过绿色合成方法将CMC/PVA/PEG聚合物基质与LG席夫碱配体结合，成功构建了CPPC-LG复合吸附材料。该材料对锂离子表现出优异的吸附性能，最大吸附容量达199.7 mg/g，且具备高选择性和良好的循环再生能力。吸附过程符合准二级动力学和Langmuir等温线模型，属于自发的吸热化学吸附，以单分子层形式进行。研究通过DFT计算和单晶结构解析深入揭示了锂与配体氧原子间的配位络合机制。生命周期评价和成本分析表明CPPC-LG具有较低的环境影响和经济成本。该工作为可持续锂资源回收提供了新的材料平台和方法学参考，在能源节约和锂回收领域具有重要应用前景。
五、研究亮点
本研究的突出之处在于：其一，将席夫碱配体与生物聚合物基质通过氢键作用有机结合，实现了配体的均匀分散和材料结构的显著优化；其二，吸附容量199.7 mg/g显著高于文献报道的多数同类吸附材料；其三，通过单晶结构解析与多种理论计算手段相互印证，系统阐明了锂-配体络合的分子机制；其四，将生命周期评价与成本分析纳入吸附材料研究，为绿色材料开发提供了完整的可持续性评估框架。