本研究由河南科技学院植物保护与环境学院（蜜蜂科学学院）博士后科研基地、南开大学环境科学与工程学院等机构的研究人员合作完成，主要作者包括张雪丽、贾林辉、常冰、房德智、崔承兴、霍思璐、丁帅琦、陈宇、李阳、陈志远、刘润强（通讯作者）和李克勋（通讯作者）。该研究于2026年8月3日在线发表于期刊《Desalination》第639卷，文章编号为120558，DOI为10.1016/j.desal.2026.120558。

一、学术背景

本研究属于电容去离子（Capacitive Deionization, CDI）与二维插层材料交叉领域，聚焦于盐湖卤水中锂资源的高效提取。随着电动汽车产业的迅速扩张，全球锂需求急剧增长，而全球约62%的可开采锂资源赋存于盐湖卤水和海水中。传统的溶剂萃取和沉淀法能耗高，而电容去离子技术凭借低电压（<1.2 V）操作、原位再生和低碳特性，成为极具前景的锂回收路径。然而，此前学界普遍沿用有机锂离子电池中二硫化钼（MoS₂）的嵌锂机制，即锂离子在高电压有机电解液体系中优先与硫（S）位点结合并最终转化为硫化锂（Li₂S）。这一机制能否直接适用于水系低电压CDI体系尚不明确，尤其是弱电场如何影响活性位点仍缺乏深入阐释。本研究旨在揭示MoS₂在水系CDI条件下锂离子插层的真实活性位点及电场效应，并探索生物炭复合策略对锂提取性能的提升作用。

二、研究流程与实验设计

本研究的工作流程包含材料制备、电极组装、CDI电吸附测试、锂离子纽扣电池组装、密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）计算及多种表征分析等环节。

在材料制备阶段，研究者以小麦秸秆为碳源，首先通过氢氧化钠水热处理和盐酸处理去除半纤维素，得到小麦秸秆碳化碳（wheat-straw-carbonized carbon, WSCC）。随后将WSCC与聚乙烯吡咯烷酮（PVP）分散于去离子水中，加入过硫酸铵（APS）、钼酸铵（AMT）和硫脲，在200 °C水热条件下反应24小时，再经700 °C氮气气氛退火2小时，制得MoS₂@WSCC复合材料。通过调节WSCC的投加量（0、0.5、1、3、5 g），获得系列样品MoS₂@WSCC-m。电极制备采用碾压法，将复合材料、导电炭黑和聚四氟乙烯（PTFE）混合后辊压于石墨纸上，活性材料负载量为0.02 g，电极尺寸为1.5 cm × 1.5 cm，厚度约50 μm。对电极采用活性炭涂覆石墨纸。

CDI测试在静态混合电容去离子装置中进行，工作电极与对电极间距1 cm，电解液体积100 mL。吸附实验在恒电压下进行，使用VersaSTAT 4电化学工作站控制电压。锂离子浓度通过离子色谱（ICS-5000）定量。测试条件包括100 mg L⁻¹的LiCl溶液、不同温度（30 °C和45 °C）、不同电压（0.6 V至1.2 V）、不同pH（1至14）以及不同竞争离子体系。实际卤水取自青海察尔汗盐湖，其中镁离子浓度高达62,210 mg L⁻¹，锂离子浓度为230 mg L⁻¹。吸附容量、吸附速率、分离系数、能耗和法拉第效率分别通过文中公式1至5计算。

为对比有机体系与水系体系中的嵌锂机制，研究者组装了2032型锂离子纽扣电池，采用MoS₂@WSCC-1为工作电极，锂箔为对电极，1.0 M LiPF₆溶解于碳酸二甲酯/碳酸乙烯酯（DMC/EC，体积比1:1）为电解液，聚丙烯膜为隔膜，在氩气手套箱中组装。循环伏安（Cyclic Voltammetry, CV）测试在CHI660E电化学工作站上进行，扫描速率为0.2 mV s⁻¹，电压范围0至3 V。

DFT计算使用CASTEP模块，交换关联泛函采用Perdew-Burke-Ernzerhof广义梯度近似（GGA-PBE），截断能为330 eV。计算中构建了MoS₂的(002)晶面模型，真空层厚度设为15 Å，采用3×3×1 k点网格。电场通过在z方向施加1.0 V和1.9 V的局域静电势来模拟。扩散路径和迁移势垒通过微动弹性带（Nudged Elastic Band, NEB）方法确定。需要指出的是，DFT计算中的电场强度并不直接等同于实验中的电池电压，前者代表原子尺度的局域电场，后者为宏观电极电位差。此外，计算采用裸离子模型，未包含溶剂化效应，这是该计算方法的一个局限性。

三、主要研究结果

材料表征证实了MoS₂纳米花成功锚定于WSCC表面。扫描电镜显示WSCC保留麦秆棒状形态，表面形成多层松散大孔结构，MoS₂纳米花由数十片超薄纳米片交错构成。透射电镜和高分辨TEM显示MoS₂(002)晶面间距为0.642 nm，大于理论值0.62 nm。X射线衍射（XRD）分析表明，MoS₂@WSCC-1的(002)衍射峰发生蓝移，层间距增大至0.642 nm，且堆叠层数从纯MoS₂的187层降至165层。拉曼光谱中E¹₂g与A₁g的频率差为23.07 cm⁻¹，小于纯MoS₂的26.608 cm⁻¹，进一步证实少层堆叠结构。X射线光电子能谱（XPS）分析显示Mo 3d谱中Mo⁴⁺位于229.5 eV和232.7 eV，同时存在Mo⁶⁺和C-O-Mo键，表明WSCC与MoS₂之间通过C-O-Mo桥键连接。比表面积测试显示MoS₂@WSCC-1的BET比表面积仅为18.25 m² g⁻¹，远低于传统双电层材料，说明其锂吸附机制以赝电容为主。

电化学分析表明，MoS₂@WSCC-1的电荷转移电阻（Rct）为3.915 Ω，为所有样品中最低。锂离子扩散系数为1.71 × 10⁻¹⁵，在系列样品中最高。CV曲线在0.89 V处出现还原峰，对应MoS₂向LiMoS₂的转化。扫描速率依赖的CV分析显示b值介于0.528至0.694之间，赝电容贡献在0.2 mV s⁻¹时高达96%，证实了表面控制的赝电容存储机制主导锂离子捕获。

CDI性能测试显示，在100 mg L⁻¹ LiCl溶液中，MoS₂@WSCC-1的锂离子电吸附容量为47.4 mg g⁻¹，显著高于纯MoS₂（31.1 mg g⁻¹）和WSCC（1.6 mg g⁻¹）。在察尔汗盐湖实际卤水中，吸附容量高达106.2 mg g⁻¹，吸附速率为4.1 mg g⁻¹ min⁻¹，分离系数为15.3，性能优于已报道的二维非锂筛材料。有趣的是，当锂离子分别与钾、钠、钙、镁离子共存时（共存离子浓度为锂的10倍），锂吸附容量反而提高至79.8、99.3、90.6和97.9 mg g⁻¹。研究者将这一现象归因于大半径阳离子插入MoS₂层间导致层间距扩大，暴露出更多锂离子捕获位点。在不同锂镁摩尔比实验中，分离系数在1:10时达到最大值5.8。此外，30次吸附/脱附循环后容量保持率为80%，XRD显示MoS₂结构基本保持。

嵌入机制分析揭示了水系CDI与有机锂离子电池之间的本质差异。XRD结果表明，锂离子插入后出现了Li₂MoO₃（PDF#88-0303）和MoOₓ的特征峰，但未检测到Li₂S。XPS分析显示Mo 3d谱中出现Li-Mo特征峰（232 eV），S 2p谱中出现LiₓMoS₂相关峰，O 1s谱中C-O-Mo含量减少而Mo-O含量增加，说明C-O-Mo键中C-O键断裂导致Li₂MoO₃的形成。相比之下，锂离子纽扣电池的CV曲线在1.9 V/2.3 V处出现S位点嵌锂和Li₂S形成的氧化还原峰，证实了有机体系中S位点主导的机制。

DFT计算进一步验证了电场效应。态密度分析显示，1.0 V电场下MoS₂在费米能级附近表现出更充分的轨道积分，有利于电荷转移。锂离子吸附能计算表明，Mo位点对锂的吸附能（-2.127 eV）显著低于S位点，且1.0 V电场下的吸附能优于1.9 V。镁离子在Mo位点的吸附能仅为-0.437 eV，远高于锂离子的-2.127 eV，解释了Li⁺/Mg²⁺的选择性分离。能量消耗和法拉第效率测试显示，电压升高导致能耗增速和法拉第效率衰减速率均增加，与DFT计算结果一致。

界面扩散各向异性分析中，差分电荷密度计算显示WSCC向MoS₂提供电子，在异质界面形成内建电场。垂直构型（structure II）的锂离子扩散能垒为0.97 eV，显著低于平行构型（structure I）的1.17 eV、纯MoS₂的1.94 eV和纯WSCC的1.35 eV，说明垂直排列的MoS₂层与碳层之间的跨界面锂离子传输具有更优的动力学路径。

四、结论与意义

本研究系统阐明了MoS₂在低电压水系CDI体系中锂提取的活性位点与电场效应。研究证明，与有机锂离子电池中S位点主导的嵌锂机制不同，水系CDI中锂离子优先与Mo位点结合，形成LiₓMoS₂和Li₂MoO₃，且伴随C-O-Mo键中C-O键的断裂。外加低电场（1.0 V）能够增强Mo位点对锂离子的结合能力，而高电场（1.9 V）则会抑制这种相互作用。WSCC生物炭基质作为电子供体，在异质界面形成内建电场，促进了界面电荷重分布和锂离子跨界面传输。垂直排列的MoS₂@WSCC结构比平行构型具有更低的锂离子扩散能垒。

该研究的科学价值在于揭示了电场强度对MoS₂活性位点锂捕获行为的调控规律，明确了水系CDI与有机电池体系在嵌锂机制上的本质差异，为二维非锂材料在CDI领域的跨领域应用提供了理论依据。应用价值方面，MoS₂@WSCC-1电极在实际盐湖卤水中表现出106.2 mg g⁻¹的超高吸附容量和15.3的分离系数，且具备快速吸附动力学和良好的循环稳定性，展示了其作为高效锂提取阴极材料的实际应用潜力。此外，利用小麦秸秆农业废弃物作为碳源，符合绿色可持续发展理念。

五、研究亮点

本研究的亮点主要体现在三个方面：第一，首次系统揭示了水系CDI中MoS₂的Mo位点而非S位点是锂离子捕获的主要活性中心，挑战了此前直接沿用有机锂离子电池机制的传统认知；第二，发现大半径共存阳离子可通过扩大MoS₂层间距而增强锂吸附容量，这一反直觉现象为复杂卤水体系中的锂提取提供了新思路；第三，通过DFT计算和实验验证相结合，阐明了低电场促进赝电容锂提取而高电场抑制该过程的电场效应，并揭示了垂直排列结构实现跨界面离子传输的动力学优势。