论文标题：Construction of nitrogen-doped carbon cladding LiMn₂O₄ film electrode with enhanced stability for electrochemically selective extraction of lithium ions（构筑稳定性增强的氮掺杂碳包覆锰酸锂基膜电极用于电化学选择性提取锂离子）

期刊：Frontiers of Chemical Science and Engineering

作者：Jiahui Ren, Yongping He, Haidong Sun, Rongzi Zhang, Juan Li, Wenbiao Ma, Zhong Liu, Jun Li, Xiao Du, Xiaogang Hao

发表时间：15 Dec 2023

DOI：10.1007/s11705-023-2343-7

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电控离子交换（ESIX）技术是将电活性离子交换功能材料沉积在导电基体上制成纳米尺度薄膜，通过电化学方法控制膜在氧化和还原状态间转化，从溶液中可逆地置入/释放离子的新型离子交换(分离)技术。它凭借选择性高、速率可控、无二次污染等优点，成为水处理技术研究领域的焦点。经过探索，我们发现尖晶石型锰酸锂是一种极具潜力的电活性锂离子交换材料，结合ESIX技术，可以实现盐湖锂资源痕量提取。

锰酸锂有诸多优点，但其存在的锰溶损现象会影响膜电极的循环稳定性。为弥补这个不足，我们通过原位聚合并高温碳化制备了聚吡咯衍生碳包覆的锰酸锂（C-N@LMO），经过一系列表征手段分析了其微观形貌和结构。

以C-N@LMO为电活性材料制备的复合膜电极（C-N@LMOE）比纯锰酸锂基膜电极（LMOE）表现出更佳的电化学性能和更快的锂离子提取速率，多次循环使用C-N@LMOE仍保持了较低锰溶损率和良好稳定性。分析其机理，C-N层不仅作为保护层避免了LMO与水溶液的直接接触从而弱化其溶损行为，还起到了导电作用，使Li+的迁移速率加快。同时，C-N@LMOE对Li⁺保持了优异的选择性，在镁锂比为60:1的模拟卤水中C-N@LMOE的分离因子高达118.38。因此，表面包覆改性制备的C-N@LMOE有望用于实际盐湖卤水中锂离子的高效选择性回收。

图1 （a）LMOE和C-N@LMOE上锂离子的插层速率和容量；（b）LMOE和C-N@LMOE上锰的溶损率

图2 ESIX技术回收锂离子的作用机制以及C-N层对锰酸锂中锰溶损的缓解

相关成果以“Construction of nitrogen-doped carbon cladding LiMn₂O₄ film electrode with enhanced stability for electrochemically selective extraction of lithium ions”为题发表在Frontiers of Chemical Science and Engineering(DOI: 10.1007/s11705-023-2343-7)。

作者及团队介绍

任佳慧（第一作者）：太原理工大学化学工程与技术学院2020级硕士研究生，研究方向为电控膜分离技术在盐湖提锂领域的应用研究。

郝晓刚（通讯作者）：太原理工大学化学工程与技术学院教授，工学博士，博士生导师。山西省化工学会理事长，中国化工学会理事、中国颗粒学会理事，山西省科协委员、中国化工学会工程热化学专业委员会委员、中国膜工业协会电驱动膜专业委员会委员。2009年入选山西省“333人才工程”，2010年山西省教学名师，2012年山西省“师德标兵”及省“学术技术带头人”，2014年山西省优秀博士生导师，2018年入选山西省“三晋英才”支持计划拔尖骨干人才。国家重点研发计划国际合作专项、国家自然科学基金区域创新发展联合基金重点项目负责人。《Carbon Resources Conversion (CRC)》、《Resource Chemicals and Materials (RCM)》编委、《太原理工大学学报（自然科学版）》副主编及《水处理技术》、《煤炭转化》等期刊编委。

杜晓（通讯作者）：太原理工大学化学工程与技术学院副教授，工学博士，硕士生导师。2018年入选山西省“三晋英才”支持计划青年优秀人才，兼任山西省化工学会膜技术应用专业委员会秘书长。主要从事电活性离子交换功能膜材料的制备，电控离子膜分离装置的研发及电控膜技术在盐湖资源综合利用、核废水处置、重金属污水治理等领域的应用研究。主持和参与国家重点研发计划、国家自然科学基金等多个项目，具有多年从事电控离子膜分离技术开发的研究基础和工作积累。发表SCI论文70余篇，授权国家发明专利10多项，参编专著《电控离子交换技术及应用》1部，获山西省科技进步二等奖1次。

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