本研究所展示的成果由广西大学化学化工学院的刘玉坤（Yukun Liu）、蒋林斌（Linbin Jiang）以及武汉大学资源与环境科学学院的石磊（Lei Shi）、唐若璇（Ruoxuan Tang）、胡立文（Liwen Hu）、杨迪（Di Yang）、董向阳（Xiangyang Dong）、邓红兵（Hongbing Deng）等人共同完成。其中刘玉坤与石磊为共同第一作者，董向阳、蒋林斌和邓红兵为通讯作者。该研究以研究论文（Research Article）形式发表于材料科学领域期刊《Small》上，文章编号为e73844，于2026年2月6日投稿，同年4月24日修订，5月8日被接收，最终作为2026年第22卷文章在线发表（DOI: 10.1002/smll.73844）。
在全球能源转型背景下，锂作为电动汽车和可再生能源储能的关键战略资源，其供应安全受到广泛关注。全球超过60%的陆地锂资源赋存于盐湖卤水中，因此从盐湖卤水中高效、绿色地提取锂已成为缓解锂供需矛盾的关键路径。在众多提取技术中，基于离子筛的吸附法因其在低浓度环境下的优异选择性和成本效益而备受关注。其中，尖晶石型钛酸锂（Li₄Ti₅O₁₂，简称LTO）因其TiO₆八面体框架赋予的“零应变”特性以及极低的溶解损失，被认为是最具工业前景的锂离子筛之一。然而，LTO颗粒在实际应用中面临严重的团聚问题——高表面能导致的自发团聚掩盖了活性位点，使吸附容量远低于理论值。
传统的宏观成型工程（如造粒、涂覆）虽然在一定程度上改善了分散性，但这些方法通常依赖聚合物粘结剂或基质进行固定或封装，导致孔道占据和扩散阻力增加，进一步损害了活性位点的可及性。纤维支架具有高比表面积和开放网络结构，可显著加速离子交换速率并提升吸附性能，但直接将传统LTO颗粒负载到纤维支架上仍会出现局部表面聚集，导致吸附位点可及性下降。因此，构建一种同时实现高活性位点利用率和优异吸附动力学的新型LTO吸附剂具有迫切需求。本研究提出了一种分层双尺度全纤维策略，通过静电纺丝将LTO纳米纤维牢固负载到纤维素纤维骨架上，构建多孔复合泡沫（ELC），旨在最大化吸附位点暴露、缩短离子扩散路径、降低传质阻力，实现近无损吸附容量和快速动力学。
本研究的实验流程包括材料制备、结构表征、吸附性能测试、选择性评价、循环稳定性评估以及模拟卤水应用验证等环节。
材料制备阶段分为三个关键步骤。首先，以钛酸异丙酯和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）在乙酸/乙醇混合溶剂中配制均匀前驱体溶液，在16–17 kV电压、1 mL/h流速和15 cm接收距离条件下进行静电纺丝，然后于600 °C空气中煅烧1 h获得多孔TiO₂纳米纤维膜。随后，将0.5 g TiO₂纳米纤维与0.336 g LiOH分散于70 mL去离子水中，在180 °C下水热反应12 h，冷却过滤干燥后于700 °C空气中煅烧1 h，制得LTO纳米纤维。最后，将脱脂棉溶解于预冷至−12 °C的碱-尿素水溶液（NaOH:尿素:水=7:12:81）中，将LTO纳米纤维均匀分散其中，浇铸成型后于−40 °C冷冻12 h并冻干48 h，再经0.5 M HCl活化处理1 h并用去离子水洗至中性，制得ELC复合泡沫。
结构表征阶段采用了多种分析手段。扫描电子显微镜（SEM）用于观察ELC的层次纤维形貌，结果显示微米级纤维素纤维构成三维多孔网络，孔直径从数十至数百微米，LTO纳米纤维致密均匀地负载于纤维素纤维束上，单根LTO纤维直径在数十纳米量级。能量色散X射线能谱（EDS）元素面分布证实LTO的空间分布均匀。X射线衍射（XRD）图谱显示所有衍射峰可精确索引为Li₄Ti₅O₁₂的尖晶石结构（JCPDS No. 49-0207），证实在离子交换过程中保持了高结晶度和相纯度。高分辨透射电子显微镜（HRTEM）显示0.48、0.25和0.21 nm的晶面间距，分别对应(111)、(311)和(400)晶面。密度泛函理论（DFT）计算表明纤维素在LTO(111)晶面的吸附能为−0.78 eV，结合独立梯度模型（IGMH）分析揭示了范德华力、静电相互作用和氢键的协同贡献。傅里叶变换红外光谱（FTIR）显示ELC中羟基特征峰向低波数偏移，证实了LTO与纤维素基质间的界面相互作用。
吸附性能测试阶段系统评估了多个参数的影响。通过改变脱脂棉浓度（0.5–3 wt%）和LTO负载量（0.5–2.5 wt%）进行优化实验，确定2 wt%纤维素+2 wt% LTO为最优组成。在不同pH（8–13）条件下考察了吸附容量变化，在初始Li⁺浓度为500 mg/L、pH 13条件下进行等温吸附实验（初始浓度50–800 mg/L）和吸附动力学实验（298 K）。对照实验制备了纯纤维素纤维（C）、含粘结剂的LTO颗粒（LB）、LTO颗粒负载于纤维素纤维（LC）和LTO纤维负载于纤维素纤维（ELC）四种样品。N₂吸附-脱附等温线、BET比表面积和BJH孔径分布用于表征孔结构特征。X射线光电子能谱（XPS）用于分析吸附前后Li 1s、Ti 2p和O 1s电子结构演变。
选择性、循环与模拟应用阶段在掺杂Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺的模拟卤水中评估选择性，计算分配系数（Kd）和分离因子（α）。在0.2 M HCl中进行脱附动力学测试，并开展了5–20次吸附-脱附循环以评价循环稳定性。通过测量Ti溶解率评估化学稳定性。最后，利用模拟东台盐湖（青海省）卤水的动态吸附装置进行了实用性验证，包括穿透曲线测定、不同流速影响和固定床再生性能测试。
材料结构表征结果证实了分层全纤维结构的成功构建。SEM图像显示ELC具有大孔纤维素骨架支撑、LTO纳米纤维密集负载的层级结构，EDS元素分布确认LTO负载均匀无团聚。XRD和HRTEM高度一致地证实了尖晶石相的高结晶度与纯度。DFT计算得到的−0.78 eV吸附能与FTIR中羟基峰的位移共同证明了纤维素与LTO间稳定的氢键主导界面结合。压缩应力-应变曲线呈现典型的非线性闭环滞后回线，表明纤维结构赋予材料优异的弹性恢复能力，在强酸碱条件下仍能有效恢复结构完整性。
吸附条件优化结果显示，纤维素浓度从0.5 wt%增至2 wt%时，吸附容量从47 mg/g升至56 mg/g，进一步增至3 wt%时骤降至25 mg/g；LTO负载量从0.5 wt%增至2.5 wt%时容量从52 mg/g逐渐增加至58 mg/g并趋于平台。对照实验中，ELC在高初始浓度条件下始终表现最优吸附性能，证实了全纤维结构在分散性和位点可及性方面的优势。
pH与等温吸附结果表明，当pH从8升高至13时，吸附容量从20 mg/g陡升至58 mg/g，接近理论极限。等温线符合Langmuir模型，证实为单层吸附机制，由H⁺/Li⁺离子交换的化学计量比控制。吸附动力学结果显示ELC在1.5 h内达到平衡，优于原始HTO纳米纤维的2.5 h。拟二级动力学模型很好地拟合了实验数据，证实吸附速率由化学吸附（电子共享或交换）控制。颗粒内扩散模型计算显示ELC的扩散速率常数为3.16，显著高于LTO粉末，进一步量化证明了分层全纤维结构加速颗粒内扩散的优势。
选择性与循环性能结果显示，Li⁺的分配系数约为230 mL/g，显著高于干扰离子，分离因子α值进一步确认了尺寸筛分机制的鲁棒性。脱附效率接近90%，优于原始LTO纳米纤维。在5次循环后容量仅轻微下降，从初始的58 mg/g稳定至约50 mg/g；20次循环后容量保持率仍超过85%。Ti溶解率始终保持在1.2%以下的低水平，表明LTO具有优异的耐酸腐蚀化学稳定性。与文献报道的最新一代锂离子筛相比，ELC在吸附容量和动力学方面均表现优异。
孔结构与XPS分析结果揭示了性能优势的结构基础。ELC的BET比表面积约为60 m²/g，N₂吸附-脱附等温线呈IV型曲线，在p/p₀>0.8处出现H4型滞后环，表明存在纤维堆积形成的狭缝状孔。BJH孔径分布显示介孔与宏孔共存的多级孔结构。XPS分析中，吸附后出现的Li 1s峰（55.2 eV）证实了Li⁺成功嵌入尖晶石晶格；Ti 2p峰和晶格氧峰分别向低结合能方向偏移0.2 eV和0.3 eV，O 1s谱中−OH峰相对强度的降低定量反映了H⁺的被替换消耗，共同为H⁺/Li⁺离子交换机制提供了直接的电子结构证据。
模拟卤水应用验证结果显示，在Li⁺浓度为210 ppm的模拟卤水中，ELC实现了25 mg/g的Li⁺吸附容量，而对高丰度共存阳离子的吸附低于1 mg/g，表现出优异的选择性。在模拟卤水中经历5次吸附-脱附循环后保留90%初始容量，循环质量损失极低。动态穿透曲线显示较低流速可延长突破时间，再生柱床的穿透曲线与新鲜柱床总体相似，表明再生后仍可保持较高的动态吸附性能。
本研究提出并验证了一种分层全纤维策略用于构建高鲁棒性和可循环使用的锂提取平台。通过静电纺丝与冷冻干燥相结合，成功构建了双尺度纤维复合吸附剂。宏观纤维素骨架赋予结构稳定性，牢固负载的LTO纳米纤维最大化暴露活性位点。得益于这种协同设计，ELC实现了58 mg/g的优异吸附容量、1.5 h内达到平衡的快速动力学、230 mL/g的离子筛分选择性，以及极低的Ti溶解率和优异的循环稳定性。
在应用价值方面，本研究为下一代低传质阻力、高活性位点可及性的吸附剂设计提供了新范式。模拟盐湖卤水实验证实了材料在实际复杂环境中的可行性，固定床动态实验进一步展示了其工程应用潜力。初步技术经济分析表明，实验室规模化条件下每批次可制备约2.5 g LTO，按平均吸附容量50 mg/g、复用50次计算，单批材料理论上可累计提取约6 g锂。总成本为27.56元（其中原料12.7元、电费14.86元），在工业化规模放大后，随着设备利用率和连续化生产的提升，单位产品电耗成本将显著下降。文中提出的碱性调控制备Mg(OH)₂、ELC模块选择性捕获、HCl再生得到高纯LiCl浓缩液以及尾液循环返回盐湖的完整工艺流程，为盐湖卤水的综合资源化利用提供了可持续的技术路线。
本研究的核心创新在于首次提出了“分层全纤维架构”策略，将静电纺丝制备的LTO纳米纤维均匀负载于纤维素纤维骨架上，从根本上解决了传统成型方法中LTO颗粒团聚和粘结剂遮蔽活性位的双重瓶颈问题。通过DFT计算与FTIR表征相结合，在分子层面揭示了纤维素与LTO间以氢键为主导的多重弱相互作用协同界面结合机制。XPS分析从电子结构角度为H⁺/Li⁺离子交换机制提供了直接证据。颗粒内扩散模型的定量比较证明了分层全纤维结构对传质的显著增强效应。此外，文中提出的“近无损吸附容量”概念以及从材料制备到固定床动态操作再到工程经济分析的完整研究链条，为锂离子筛吸附剂的实用化提供了方法论参考。