物语 | 热还原氧化石墨烯选择性提取锂离子

科海拾贝

Research Highlights

本期我们介绍的工作是方海平教授发表在Chinese Physics Letters的Express上的论文Unexpected Selective Absorption of Lithium in Thermally Reduced Graphene Oxide Membranes

(doi.org/10.1088/0256-307X/38/11/116802)

论文简介

本工作利用热还原氧化石墨烯选择性提取锂离子，并通过循环吸附实验将高镁锂比卤水变成低镁锂比卤水，提升了工业实用可能性。

摘要原文

Lithium plays an increasingly important role in scientific and industrial processes, and it is extremely important to extract lithium from a high Mg²⁺/Li⁺ mass ratio brine or to recover lithium from the leachate of spent lithium-ion batteries. Conventional wisdom shows that Li⁺ with low valence states has a much weaker adsorption (and absorption energy) with graphene than multivalent ions such as Mg²⁺. Here, we show the selective adsorption of Li⁺ in thermally reduced graphene oxide (rGO) membranes over other metal ions such as Mg²⁺, Co²⁺, Mn²⁺, Ni²⁺, or Fe²⁺. Interestingly, the adsorption strength of Li⁺ reaches up to 5 times the adsorption strength of Mg²⁺, and the mass ratio of a mixed Mg²⁺/Li⁺ solution at a very high value of 500:1 can be effectively reduced to 0.7:1 within only six experimental treatment cycles, demonstrating the excellent applicability of the rGO membranes in the Mg²⁺/Li⁺ separation. A theoretical analysis indicates that this unexpected selectivity is attributed to the competition between cation–π interaction and steric exclusion when hydrated cations enter the confined space of the rGO membranes.

(doi.org/10.1088/0256-307X/38/11/116802)

作者信息

方海平，本科和硕士毕业于山东大学，1994年在中国科学院理论物理研究所获得博士学位，后来在复旦大学做博士后、讲师、副教授（1994-2002），期间去了香港科技大学和美国John Hopkins大学访问，2002年获百人计划资助到中国科学院上海应用物理研究所任研究员，2012年创建了水科学与技术研究室，2018年按照中国科学院的规划，随应用物理研究所的一部分被划转到中国科学院上海高等研究院，2020年到华东理工大学理学院。主要研究方向：理论物理学与界面水、微纳米体系和纳米生物学的交叉研究，特别是从分子尺度研究水、盐水及其在生物、环境、能源和新晶体等方面的应用。最近发现的稳定的一价钙镁离子和相应的新颖磁性物质（区别于非传统铁磁物质）是其后续研究的重点。

寻幽问径

Scholar Insights

我们有幸采访到了本文通讯作者方海平教授，以了解他的研究思路和研究心得。

您开展这个研究的动机是什么？为什么这个方向会吸引您？

方海平：记得有一次在中国科学院基础局开会，江雷院士说，你们有谁能将盐湖的锂分离出来就厉害啦。当时觉得我们可以做点什么。回去后查了查才知道,锂作为能源金属,推动着世界的进步,具有极高的战略价值，然而锂的提取与回收仍然是一个巨大的挑战。正好我们的石墨烯膜在离子分离方面已经展示了其应用价值，就开展了这项研究。

完成这个研究需要采取什么特殊的计算方法/实验手段？

方海平：这项研究需要完成两部分内容，首先是实验部分，使用电感耦合等离子体发射光谱测试出还原氧化石墨烯膜的离子吸附容量、吸附分离效率，并使用X射线衍射仪、扫描电镜等仪器对石墨烯膜的内部结构进行解析；第二部分主要是进行了密度泛函理论计算，解释石墨烯膜具有锂离子选择性吸附能力的物理机制。

研究过程中遇到的最大困难是什么？最后如何克服了？

方海平：在前期实验中，石墨烯膜对锂离子的选择性吸附效率不高，我们通过优化实验方向和实验方法，极大地提升了膜材料的选择性吸附能力。实验中，影响膜材料吸附性能的因素较多，需要大量的探索性和验证性实验，才能得到比较好的结果。

您对研究结果满意吗？具体在什么方面取得了突破进展？

方海平：对目前的研究结果比较满意，我们从物理上提出石墨烯膜对锂镁离子有很大的吸附能差异，进而在实验上实现了锂镁的分离，这应该是一项基础研究。进而，我们通过循环吸附实验将高镁锂比卤水变成低镁锂比卤水，提升了工业实用可能性。期望在盐湖提锂和废弃锂离子电池中回收锂等领域有实质性的应用。

您的合作者如何看待这个研究的？您认为其他同行会如何看待这个研究？

方海平：我与合作者以及其他同行曾深入地讨论过这个研究，有些人非常认可该研究的重要性以及创新性。而通过循环实验能将高镁锂比卤水变成低镁锂比卤水，他们认为进一步提升了工业实用性，让该研究具有很高的工业应用价值。后面我们也会跟盐湖体盐的专家学者进一步讨论，看看我们的工作是否以及如何切入实际的锂镁提纯应用中。

论文在投审稿过程遇到了什么让您记忆深刻的事情？

方海平：CPL Express Lett. 栏目编辑高效且周到的工作让我记忆深刻，非常感谢CPL，论文从投搞到online发表仅用了三周的时间，祝愿中国物理期刊越办越好。同时感谢各位审稿专家对该研究给予的肯定及高度评价。

该研究会对相关领域做出什么贡献或影响？

方海平：目前，“碳中和”和“碳达峰”非常重要，而要解决双碳问题，无论是储能装置还是电动汽车都离不开锂离子电池。我们相信，该研究中的盐湖提锂、废弃锂离子电池回收锂等工作对实现双碳目标的国家战略是有意义的。

您将会继续深入相关的研究工作吗？有什么具体的期待？

方海平：目前，高品质的石墨烯的制备依然是高污染，高成本。我们这个研究非常有趣的地方是，不要求石墨烯的高品质，甚至未必需要石墨烯，只要富含芳香环的材料就行。我们在考虑是否可以用废弃的一些富含芳香环的碳基材料来代替石墨烯，这样在大规模工业使用上达到低污染低成本的效果。另外，我们的方法也可以推广到分离废弃电子产品中的稀贵金属。

您认为在您的研究生涯中，谁（哪几位）曾给予了您很大的支持与帮助？

方海平：我的研究生涯比较复杂，从粒子物理、机器人、非线性科学、纳米尺度水科学和纳米生物学到目前这些还有可能有应用价值的东西，每个阶段都得到了很多老师专家的支持和帮助。心里特别感恩，没有他们的支持和帮助，我是走不到现在这个样子的。

设计：阿泽

排版：由理

美编：农民

责编：理趣

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