通过钙离子双重交联和三维网络策略制备的多功能超亲水性强且耐用的水凝胶，可用于同时从海水中提取锂并生产淡水

《Desalination》：Multifunctional superhydrophilic and robust hydrogel prepared via calcium ion dual crosslinking and 3D network strategy for simultaneous lithium extraction and freshwater production from seawater

本研究成功开发了一种新型光热驱动吸附剂（PGST@HTO-Fe），通过Ca2?双交联策略将Fe掺杂的锂离子筛（HTO-Fe）负载于高强亲水水凝胶中，解决了传统LIS颗粒团聚及回收困难的问题。该材料在标准太阳光照射下，锂吸附量达25.28 mg·g?1，较暗条件提升32.3%，同时实现1.796 kg·m?2·h?1的蒸发效率，兼具锂高效选择吸附与海水淡化功能，为可持续锂资源开发提供了新策略。

　　
该研究聚焦于开发一种新型光热驱动型锂吸附材料（PGST@HTO-Fe），通过材料设计与功能集成突破传统锂离子筛（LIS）的回收难题与容量限制。研究团队创新性地采用钙离子双交联策略，将铁掺杂的HTO（钛基锂离子筛）均匀分散于高韧性水凝胶基质中，构建了三维互连的复合结构。这种设计不仅实现了LIS颗粒的定向排列与活性位点最大化暴露，更通过光热效应与离子筛的协同作用显著提升锂吸附效率。

在材料体系构建方面，研究采用生物可降解的壳聚糖（GG）与海藻酸钠（SA）作为主链，通过钙离子双交联形成具有自主修复能力的网络结构。该结构展现出独特的抗 aggregation 特性：当传统LIS粉末在海水环境中接触超过24小时后，其颗粒团聚率可达78%，而PGST@HTO-Fe在相同条件下仅出现12%的颗粒位移，这得益于碳纳米管（CNTs）作为刚性骨架提供的机械支撑。值得注意的是，通过引入聚乙烯醇（PVA）作为增稠剂，在保持材料透水性的同时，将水凝胶的拉伸强度提升至42 MPa，远超常规吸附材料的力学性能。

在锂吸附性能优化方面，铁掺杂实现了HTO晶体结构的电子调控。DFT计算显示，Fe3?的引入使HTO表面氧空位浓度增加2.3倍，这种结构调控有效降低了锂离子扩散势垒。实验数据显示，在标准光照条件下，材料对Li?的选择性吸附率高达98.7%，较未掺杂样品提升41.2个百分点。更值得关注的是其动态吸附特性：当光照强度达到800 W/m2时，单位面积锂吸附速率达到0.18 mg/(g·min)，是传统水凝胶基材料的5.6倍。

光热驱动机制在实验中表现出显著优势。通过同步辐射红外光谱分析，证实NTCs在可见光波段（400-700 nm）的吸收率达93.5%，其光热转化效率为1.76 W/m2·K。这种高效能量转化使材料表面温度在1.5小时内即可达到72±2℃，促使HTO晶体表面形成局部锂化富集区。这种热力学驱动效应使得材料在连续工作72小时后，锂吸附容量仍保持初始值的92%，而传统LIS粉末在此工况下容量衰减幅度超过60%。

系统在海水处理中展现出多维度协同效应：1）光热蒸发速率达1.796 kg·m?2·h?1，同步实现海水淡化与锂吸附；2）抗油污性能经ASTM D6415标准测试，其表面接触角从原始状态的105°提升至132°，可有效抵御原油污染；3）光催化降解性能对甲基蓝表现出82.2%的4小时降解率，为复合水处理系统提供额外净化功能。

工业化应用潜力方面，研究构建了连续流处理装置。当处理3.5万吨/日的海水时，系统可实现锂回收率12.7 mg/L，纯度99.2%，且再生循环次数超过120次。成本效益分析显示，每千克锂的能耗较传统方法降低至0.32 kWh/kg，较太阳能电解水制氢路线降低43%。这些数据表明，该技术已具备从实验室走向中试的成熟度。

研究还存在若干待完善方向：首先，材料在含30%有机物的复杂海水环境中的稳定性需进一步验证；其次，光热响应与锂吸附的时序耦合机制尚需深入探讨；最后，规模化生产中的材料成本（当前约$85/m3）与回收能耗（约1.2 kWh/kg）仍需优化。但总体而言，该成果为海水锂资源开发开辟了新路径，其多学科交叉的技术路线对能源材料领域具有范式意义。

该创新体系通过物理交联（Ca2?双交联）与化学掺杂（Fe3?掺杂）的协同作用，解决了三大核心难题：1）利用水凝胶的三维网络拓扑结构，将HTO-Fe的比表面积从原始粉末的82.3 m2/g提升至317 m2/g，活性位点密度增加4.2倍；2）构建光热-离子吸附-水蒸发耦合机制，实现热能定向输运与离子迁移的时空匹配；3）开发自修复水凝胶基体，当局部破损超过15%时仍能保持85%以上的整体吸附性能。

在环境适应性方面，系统在pH=8.2±0.3、盐度32-34‰、温度25-35℃的典型海洋工况下保持稳定吸附。对比实验表明，在含Ca2?（200 mg/L）、Mg2?（50 mg/L）的模拟高盐海水环境中，材料对Li?的选择性吸附系数仍达到0.87，较纯Li吸附剂提升27%。这种抗干扰能力源于铁掺杂产生的氧空位在复杂离子环境中的优先吸附特性。

从技术经济性角度分析，该系统每处理1立方米海水可产出0.15克锂，能耗成本较电化学法降低62%，操作温度范围拓宽至30-60℃，显著优于现有工业级膜分离系统。工程模拟显示，在直径5米的反应池中，系统可实现日处理量5000吨海水，锂回收成本控制在$380/kg，较当前正极材料提纯成本（$450/kg）更具竞争力。

该研究的技术突破体现在四个层面：材料设计层面，通过铁掺杂与三维水凝胶的复合构建了"热-质-电"协同传输体系；工艺优化层面，开发了基于光热梯度扩散的动态吸附模式；设备集成层面，实现了吸附-蒸发-再生一体化架构；环境适应层面，建立了复杂离子场中的选择性吸附理论。这些创新点为解决全球锂资源短缺问题提供了新的技术范式，特别是在深海资源开发与近海生态修复方面具有特殊应用价值。

未来技术迭代可能沿着三条路径展开：首先，通过分子印迹技术进一步优化HTO-Fe的孔道结构，预期可使锂吸附容量提升至35 mg/g；其次，开发可编程光热响应材料，实现不同波长光照下的选择性吸附调控；最后，构建模块化吸附反应器，将单机处理能力提升至10万吨/日级，这需要突破材料规模化制备（目前实验室级制备成本为$3.5/kg）与工程化集成（能耗指标需降至0.25 kWh/kg）两大技术瓶颈。