Nanoconfined MXene/Cellulose Membranes for Selective Lithium Extraction from Brines and Black Mass

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作者
Kou Yang,Qinyue Wang,Konstantin G. Nikolaev,Qian Wang,Ivan V. Moskalenko,Shanqing Zhang,Xueqing Qiu,E.O. Timashev,Ekaterina V. Skorb,Kostya S. Novoselov,Daria V. Andreeva
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:19 (40): 35483-35492 被引量:12
标识
DOI:10.1021/acsnano.5c08653
摘要

A nanoconfined thermoresponsive membrane composed of Ti 3 C 2 T x MXene and hydroxypropyl cellulose (HPC) was developed for selective Li + extraction. By integrating the electrothermal conductivity of MXenes and hydration-responsive gating of HPC, the membrane forms heterochannels with tunable spacing that regulate ion transport through nanoconfinement-enhanced mechanisms based on interaction energy and hydration radius. While density functional theory calculations predicted stronger sorption for Mg 2+, experimental data revealed a clear preference for Li + uptake from both simulated brine and battery black mass. This selectivity is attributed to favorable interactions of Li + within the nanoconfined composite channels, where the subnanometer interlayer spacings promote partial dehydration and size-sieving effects. Li + retention is governed not only by thermodynamic affinity but also by kinetic acceleration in nanoconfined pathways and hydration-based steric control. The membrane exhibits a reversible thermal response and maintains stable performance under Joule heating. It achieves >90% extraction efficiency from simulated Atacama brine and up to 98% Li + recovery from black mass supplied by VGM Sustainability Solutions (SG3R, Pte. Ltd.).
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