本文属于类型a，即单一原创研究论文的学术报告。以下是对该研究的详细中文报告。
本研究由东北大学冶金学院的杨震（Zhen Yang）、李颖（Ying Li）和裴华（Peihua Ma）等人完成，其中李颖为通讯作者。研究成果发表于国际期刊《Ceramics International》2022年第48卷，页码为30127–30134，并于2022年6月30日在线发表。该研究得到了中国国家自然科学基金多个项目的资助。
在学术背景方面，随着锂资源的大量消耗，锂价不断攀升，从液态锂资源中提取锂日益受到关注。在众多提锂方法中，锂离子筛（lithium-ion sieve）因其高选择性而迅速发展。锂离子筛主要分为钛基和锰基两类。锰基锂离子筛存在锰离子（Mn³⁺）因歧化反应而溶损严重以及姜-泰勒效应（Jahn-Teller effect）等问题，严重制约其工业应用；而钛基锂离子筛则具有钛离子（Ti⁴⁺）溶损低、化学稳定性高、理论吸附容量大、耐酸性好、环境友好、对锂离子选择性高以及循环性能优良等优点。高性能的钛基锂离子筛通常被制备成纳米颗粒以增大比表面积，从而获得较高的吸附性能，但纳米颗粒在实际应用中存在难以回收的问题。已有多种方法用于制备可回收的锂离子筛，但通常存在吸附平衡时间长、难以规模化工业应用等不足。因此，本研究旨在通过反溶剂法（antisolvent method）以聚氯乙烯（PVC）为基质制备偏钛酸（H₂TiO₃）-PVC锂离子筛，在保证可回收性的同时，缩短吸附平衡时间并提高吸附性能。
在实验流程方面，本研究主要包括材料制备、表征测试、吸附性能测试、选择性测试和循环性能测试等环节。首先，将碳酸锂（Li₂CO₃）和偏钛酸（TiO(OH)₂）按锂钛摩尔比n(Li/Ti)=2混合球磨12小时形成悬浮液，随后以2 mL/min的进料速率进行喷雾干燥得到均匀混合的原料粉末。将该粉末在650 ℃下煅烧3小时，冷却速率为5 ℃/min，得到前驱体偏钛酸锂（Li₂TiO₃）。接着采用反溶剂法制备Li₂TiO₃-PVC复合材料：先将PVC溶解于N-甲基吡咯烷酮（NMP）溶剂中，再加入Li₂TiO₃搅拌形成浆料，将浆料滴入去离子水中，并在空气辅助下形成球形Li₂TiO₃-PVC颗粒。所得样品记为LTO-PVC-x，其中x分别为10、15、20、25和30，代表PVC占总质量的百分比。之后将LTO-PVC-x置于0.5 M盐酸溶液中，在25 ℃下洗脱24小时，过滤、用去离子水洗涤至中性，并在80 ℃下干燥，得到HTO-PVC-x锂离子筛。在表征方面，采用X射线衍射（XRD）分析晶体结构，扫描电子显微镜（SEM）观察宏观和微观形貌，比表面积通过Brunauer–Emmett–Teller（BET）方法测定，锂离子及其他离子浓度使用电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）测定。吸附性能实验中，将HTO-PVC-x加入初始锂离子浓度为200 mg/L的氯化锂溶液中，溶液pH值通过氨水调节至10.32以模拟盐湖卤水，温度为25 ℃。在不同时间点取上清液测定锂离子浓度，并根据公式计算吸附容量。吸附等温线实验在不同温度（25、35和45 ℃）下进行，并采用Langmuir和Freundlich模型进行拟合。吸附动力学实验则采用准一级（pseudo-first-order）和准二级（pseudo-second-order）动力学模型进行拟合。吸附选择性实验在含有Li⁺、Na⁺、K⁺、Ca²⁺和Mg²⁺各200 mg/L的混合溶液中进行，pH值调至10.14，通过分配系数（distribution coefficient，K_d）和分离因子（separation factor，α_Li^Me）评价选择性。循环性能测试中，每次吸附循环后在0.5 M盐酸溶液中再生，再用于下一次吸附。
在主要研究结果方面，XRD结果表明Li₂TiO₃成功合成，其晶体结构为C2/c单斜结构（参考代码00-033-0831）。SEM结果显示，LTO-PVC-x系列样品具有球形形貌，直径约为300 μm，内部含有大量Li₂TiO₃颗粒，且PVC包裹形成了丰富的多孔结构，有利于离子交换。经过盐酸洗脱得到HTO-PVC-x后，其形貌与LTO-PVC-x相似，表明酸处理和搅拌未破坏其形状，PVC对Li₂TiO₃的固定效果良好，有利于过滤和回收。比表面积测试显示所有HTO-PVC-x样品均具有较大的比表面积，且随着PVC质量分数增加比表面积略有下降，但对吸附性能影响不显著。酸处理实验中，洗脱24小时后所有LTO-PVC-x的锂离子提取率均达到72%，表明PVC对锂离子洗脱影响很小。然而，当PVC质量分数为10%时，洗脱液出现浑浊，说明部分Li₂TiO₃未能被PVC完全固定而进入洗脱液；当PVC质量分数大于等于15%时，洗脱液澄清透明，表明PVC完全固定了Li₂TiO₃。因此，后续研究排除了HTO-PVC-10。吸附性能测试表明，在同一吸附时间下，HTO-PVC-15的吸附容量最高，且在2小时内达到平衡吸附容量的96%，而HTO-PVC-20约需4小时，HTO-PVC-25和HTO-PVC-30则需要更长时间。在不同初始锂离子浓度条件下，HTO-PVC-15也表现出最高的吸附容量，且在较低的初始锂离子浓度下即具有较高的吸附容量，这有利于实际卤水吸附应用。吸附等温线拟合结果显示，Langmuir模型的线性回归系数大于0.999，而Freundlich模型小于0.984，表明HTO-PVC-15对锂离子的吸附更符合Langmuir等温吸附模型，属于单层化学吸附过程。在25、35和45 ℃下的单层理论最大吸附容量分别为22.34、24.84和27.09 mg/g。吸附动力学拟合结果表明，准二级动力学模型的线性回归系数大于0.99，而准一级动力学模型拟合偏差较大，且准二级模型计算的理论吸附容量与实验值更接近，进一步证明吸附过程符合准二级动力学模型。选择性实验显示，在混合溶液中HTO-PVC-15的锂离子吸附容量高于其他阳离子，分配系数顺序为Li⁺>Na⁺>K⁺>Ca²⁺>Mg²⁺，分离因子α_Li^Me显著大于1，表明该材料对锂离子具有高选择性。循环性能测试中，经过五次吸附-再生循环后，HTO-PVC-15的锂离子吸附容量仍保持初始值的94.3%，且钛离子溶损率很低，证明其具有优良的循环稳定性和化学稳定性。
在结论方面，本研究通过反溶剂法成功合成了HTO-PVC-x系列锂离子筛，其中HTO-PVC-15表现出最高的吸附容量和快速的吸附动力学，在2小时内达到96%的平衡吸附容量。其吸附行为符合Langmuir等温模型和准二级动力学模型，属于化学吸附过程。同时，该材料具有高选择性和良好的循环性能，钛离子溶损率低。因此，HTO-PVC-15在盐湖卤水提锂的工业应用中具有巨大潜力。本研究的意义在于，通过将钛基锂离子筛与PVC基质结合，解决了纳米吸附剂难以回收的问题，同时通过空气辅助反溶剂法制备了粒径较小但易于过滤的球形颗粒，在保持较高比表面积和快速吸附能力的同时实现了良好的分离回收性能，为钛基锂离子筛的规模化应用提供了新的思路。
本研究的亮点包括：一是采用反溶剂法并以PVC为基质制备了直径为300 μm的球形钛基锂离子筛，兼具大比表面积和易回收性；二是HTO-PVC-15在较低锂离子浓度下仍具有较高吸附容量，且2小时内即可达到96%的平衡吸附容量，显著缩短了吸附平衡时间；三是通过系统对比不同PVC质量分数的影响，确定了15%为最优比例，并在选择性、循环稳定性和钛离子溶损率等方面均表现出优异性能。