本研究由Changxiang Yang、Shilin Zhang、Hongxiu Lu、Kai Tang、Jianmin Yang、Liang Shi、Shuyan Xiong、Aidong Tang及Jinlong Jiang等人完成，主要作者隶属于Central South University、Huaiyin Institute of Technology和Zhengzhou University。该研究成果发表于Separation and Purification Technology期刊，文章于2025年1月28日在线发表，收录于该期刊第362卷，文献号为131852。

本研究属于锂资源提取与吸附材料领域，聚焦于盐湖卤水中锂离子的选择性吸附回收。随着新能源产业的快速发展，全球对锂资源的需求急剧上升，而超过60%的锂储量分布于盐湖中。然而，盐湖卤水中通常共存大量钠离子、镁离子、钙离子和钾离子等杂质离子，且其浓度远高于锂离子，这使得从复杂水溶液体系中高效、选择性地分离低浓度锂离子成为一项重要挑战。在众多分离方法中，吸附法因其工艺简单、成本较低而被认为是最有效的技术之一。锂离子筛（lithium-ion sieves）材料凭借其高选择性、良好的稳定性及环境友好性，成为液相提锂研究的热点。其中，钛系锂离子筛如H4Ti5O12因其结构稳定、吸附容量和选择性优异而受到广泛关注。然而，粉末状锂离子筛存在吸附平衡时间长、分离回收困难等问题，严重限制了其实际应用。

针对上述瓶颈，本研究旨在通过将H4Ti5O12与亲水性高分子材料羟乙基纤维素（hydroxyethyl cellulose, HEC）复合，构建一种具有分级多孔结构的泡沫型锂离子筛，以加快锂离子的吸附速率并解决粉末吸附剂回收难题。具体而言，研究首先通过水热反应、热处理和酸洗过程制备了具有暴露(111)晶面的纳米花状H4Ti5O12（HTO）微球。该材料需要5小时才能达到30.9 mg⋅g⁻¹的平衡吸附容量，且回收仍然困难。为解决该问题，研究采用HEC作为基材，利用冷冻干燥与化学交联相结合的方法制备了HTO-HEC复合泡沫。其核心机制在于HEC表面的羟基与水合锂离子中的水分子形成氢键，促进水合锂离子的脱水过程，从而加快Li⁺的吸附速率。最终，HTO-HEC在1小时内即可达到吸附平衡，比纯HTO快了5倍。当HTO负载量为60%时，复合材料对Li⁺的吸附容量最高，达到27.9 mg⋅g⁻¹。

研究的具体流程包括多个步骤。首先，在H4Ti5O12粉末制备阶段，将氢氧化锂溶解于去离子水中，加入过氧化氢和钛酸四异丙酯，搅拌后转移至高压反应釜，在120°C、150°C和170°C下分别反应12 h、15 h和21 h，得到白色沉淀。沉淀经50°C干燥12 h后在空气中500°C热处理6 h，获得尖晶石结构的Li4Ti5O12（LTO）。随后采用不同浓度盐酸进行酸浸处理，将Li⁺置换为H⁺，得到锂离子筛HTO。实验表明，0.2 M盐酸酸浸4小时效果最佳。其次，在HTO-HEC软泡沫复合材料的制备中，先将HEC和N,N-二甲基丙烯酰胺溶于去离子水中，再在5°C下加入不同质量的LTO，通过搅拌和超声处理实现均匀分散。随后加入过硫酸铵和四甲基乙二胺引发化学交联反应，将悬浮液倒入模具中冷冻8小时，再在冷冻干燥机中于−20°C干燥24小时，最后用0.3 M盐酸酸浸4小时得到HTO-HEC。通过调整LTO的加入量，制备了不同HTO负载量的系列样品，命名为HTO-HEC-n，其中n为负载百分比。

在材料表征方面，研究采用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、氮气吸附-脱附等温线以及电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）等方法对材料的结构、形貌和成分进行了系统分析。吸附实验包括吸附容量测定、钛溶解损失计算、等温吸附模型拟合、吸附热力学分析、吸附动力学拟合和吸附选择性评价。其中，吸附容量通过公式qt=(c0−ct)v1/m和qe=(c0−ce)v1/m计算，钛溶解损失通过e(%)=ctiv2/s×100%计算。等温吸附行为采用Freundlich和Langmuir模型拟合，吸附热力学通过lnkd与1/T的线性拟合获得吉布斯自由能、熵变和焓变，吸附动力学采用拟一级和拟二级动力学模型分析，选择性通过分布系数kd和分离系数αli^m评价。

研究结果表明，LTO-170°C-12 h样品具有最均匀的纳米花形貌和最大的比表面积（86.04 m²⋅g⁻¹），其对应的HTO吸附容量最高，为30.9 mg⋅g⁻¹。酸浸后，XRD衍射峰强度降低并向大角度偏移，表明H⁺进入晶格引起晶格收缩。HR-TEM显示，酸浸后HTO仅暴露(111)晶面，而其他晶面消失。XPS和FT-IR分析证实了Li⁺在吸附过程中通过离子交换机制被捕获，且材料结构在酸洗和吸附循环中保持稳定。在HTO的吸附实验中，溶液pH从6升高到13时，平衡吸附容量从1.83 mg⋅g⁻¹增加到32.3 mg⋅g⁻¹。在pH=12、初始Li⁺浓度100 mg⋅L⁻¹、293 K条件下，HTO-170°C-12 h在5小时内达到30.9 mg⋅g⁻¹的平衡吸附容量。其在10次循环后仍能保持97.1%的初始吸附容量，钛溶解损失仅为0.04%。在选择性方面，HTO对Li⁺相对于Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺的分离因子分别为80.86、98.93、148.56和115.55，显示出极高的锂离子选择性。

对于HTO-HEC复合材料，BET分析表明其具有分级多孔结构，包含HEC的大孔基体和HTO的介孔。随着HTO负载量增加，复合材料的比表面积先增大后减小，HTO-HEC-60的比表面积最大，为53.01 m²⋅g⁻¹，而纯HEC泡沫仅为3.52 m²⋅g⁻¹。HTO-HEC-60在pH=12、初始Li⁺浓度100 mg⋅L⁻¹条件下，1小时内即可达到27.9 mg⋅g⁻¹的吸附平衡，明显快于纯HTO的5小时。在弱碱性条件（pH=9）下，HTO-HEC-60的平衡吸附容量达到22.6 mg⋅g⁻¹，是纯HTO（6.3 mg⋅g⁻¹）的三倍以上。该现象归因于HEC表面丰富的羟基，其氧原子作为电子供体与H⁺形成氢键，从而在低pH条件下促进了Li⁺的吸附。HTO-HEC-60对Li⁺的吸附在8次循环后仍保持97.8%的初始容量，钛溶解损失平均仅为0.06%。此外，HTO-HEC-60还表现出优异的机械柔韧性和压缩回复能力，可通过简单的“浸泡-挤压”方式实现连续锂提取。等温吸附拟合表明，HTO和HTO-HEC-60的吸附行为均更符合Langmuir模型，说明该吸附为单层化学吸附过程。基于Langmuir模型计算的理论最大吸附容量分别为45.23 mg⋅g⁻¹和38.12 mg⋅g⁻¹。热力学分析显示，二者的吸附过程均为自发、吸热且熵增的过程。动力学拟合结果表明，拟二级动力学模型能更好地描述HTO和HTO-HEC-60对Li⁺的吸附行为，且HTO-HEC-60的吸附速率常数约为纯HTO的三倍，与其更快的吸附平衡现象相一致。

本研究的核心价值在于成功构建了一种兼具快速吸附能力、高选择性、优异循环稳定性及机械柔韧性的HTO-HEC复合泡沫锂离子筛。通过将HTO粉末负载于亲水性HEC泡沫基材中，不仅解决了粉末吸附剂难以回收的问题，还通过羟基促进水合锂离子脱水，显著缩短了吸附平衡时间。该材料在弱碱性条件下表现出的高吸附容量使其更适用于实际盐湖卤水环境。此外，其可通过简单的浸泡和挤压操作实现连续吸附-脱附循环，为工业化连续提锂提供了新的材料方案。研究的亮点在于首次将羟乙基纤维素作为基材用于钛系锂离子筛的泡沫化制备，并揭示了羟基加速锂离子吸附的机制。该工作为高性能锂离子筛复合材料的设计以及从盐湖卤水中高效、可持续提取锂资源提供了重要的理论基础和实验依据。