Low-Tortuosity Adsorption Networks Triggered by Micelle-Enhanced Swelling Enable Efficient Lithium Extraction from Seawater

吸附 肿胀 的 萃取(化学) 锂(药物) 化学工程 材料科学 自愈水凝胶 扩散 膨胀能力 溶解 渗透(认知心理学) 胶束 海水 纳米孔 选择性吸附 肺表面活性物质 多孔性 多孔介质 聚合物 化学
作者
Chenyang Li,Jie Cui,Yuanyuan Yan,Jingyun Jiang,Tan Li,Xiaowei Yang,Meiling Wang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:20 (34): 24066-24077 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acsnano.6c09936
摘要

Lithium-ion sieve (LIS) hydrogels offer a solution to powder loss and poor site accessibility of LIS in lithium extraction through swelling. However, their adsorption efficiency is constrained by the inherently slow diffusion of lithium ions (Li+) through tortuous pathways within the hydrogel matrix. Herein, we regulate Li+ transport channels in LIS hydrogels by engineering dynamic adsorption networks through swelling enhancement with anionic surfactants. By integrating pulsed-field gradient nuclear magnetic resonance (PFG-NMR) diffusion experiments with molecular dynamics simulations, we demonstrate that rapid swelling creates low-tortuosity percolation channels, which significantly accelerate Li+ diffusion and enhance active-site accessibility during adsorption. So, the LIS hydrogel achieves a Li+ adsorption capacity of 52.79 mg g-1 HMO, approaching the theoretical capacity, with a high adsorption rate constant of 5.85 mg mg-1 h-1. The LIS hydrogel retains over 80% of its capacity after 20 cycles while reducing Mn2+ dissolution loss. In natural Bohai seawater, it shows high Li+ selectivity and delivers a Li+ adsorption capacity of 12.45 mg g-1 HMO in a 15-day scaled-up extraction test. The accelerated swelling by anionic surfactant micelles also enhances photothermal lithium extraction efficiency by modulating water states. This work provides a general and robust strategy for designing high-efficiency adsorbents for the reversible extraction of strategic metals from natural seawater.
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