钒氧基材料的制备及用于电控离子交换提锂的研究

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随着经济社会的快速发展,资源短缺与环境污染问题日益严重,亟待寻求可持续的清洁能源和能量密度大储能器件,锂离子电池由于储能高效、清洁无污染的优点成为一种重要的储能设备,作为锂离子电池的重要原材料,锂成为一种具有战略意义的“能源金属”。锂的来源主要有锂矿石、卤水和海水,矿石提锂具有不可持续、环境污染大、开采费用高的缺点,且我国矿石资源中锂含量少,远不能满足市场对锂的需求;海水中锂浓度极低,因而海水提锂的技术难度使其仅停留在理论研究阶段;卤水锂浓度相对较高,同时我国具有丰富的盐湖卤水资源。基于资源开发、环境保护和经济效益,高选择性地从盐湖卤水中分离与回收锂离子具有重要的战略意义与经济价值。电控离子交换(Electrochemically Switched Ion Exchange,ESIX)作为一种新型离子分离技术,通过在膜电极上施加一定的氧化还原电位即可控制目标离子置入与释放,方法简单高效,无二次污染。ESIX技术的核心是开发既能导电子又能导离子的电活性材料。本文开发了一种高效且成本低廉的钒氧基电活性材料钒酸锂(LiV3O8),通过ESIX技术应用于低浓度溶液提锂。采用传统的水热法合成了LiV3O8电活性材料,将其涂覆于导电基体并进行了电化学研究。具体内容如下:(1)探索了不同煅烧温度对LiV3O8结构与性能的影响。首先在不同煅烧温度(400、450、500、550℃)下制备得到了LiV3O8纳米棒,物理表征发现500℃下煅烧得到的LiV3O8具有最佳形貌结构,电化学表征表明500℃合成的LiV3O8具有最好的电化学活性。其次将最佳煅烧温度下得到的LiV3O8膜应用于电控离子交换提锂,在100 mg·L-1的Li+溶液中吸附2 h时吸附量可达36.36 mg·g-1。Li+/K+和Li+/Mg2+的选择性因子分别达到38.43和4.75,并从理论计算角度阐释了LiV3O8材料对锂离子的高选择性。因而LiV3O8是一种优良的嵌锂材料,可用于低浓度溶液中的锂离子提取,在电控离子分离过程中,电能作为主要推动力加快了离子传输,有利于离子分离。(2)探索了复合不同WO3量得到LiV3O8/WO3复合材料对离子分离影响。六方WO3为层状结构,六边形空隙形成的隧道结构可以用来容纳Li+。首先利用水热法制备了六方结构的WO3,通过固相法与LiV3O8结合得到了LiV3O8/WO3复合材料,电化学法考察了掺杂不同比例WO3的量对吸附容量的影响并确定了最佳制膜方案。在30ppm的Li+溶液中,膜的最大吸附量达14.2 mg·g-1;在0.015 mol·L-1的Li Cl、Mg Cl2、KCl混合溶液中,Li+/Mg2+和Li+/K+的选择性因子分别达到15.88和55.23,通过复合WO3可大幅提高对Li+的选择性。
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