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《Journal of Materials Chemistry A》发表我院海水资源绿色利用团队最新研究成果

作者:杨婧灵 时间:2024-03-17 点击数:

近日,海洋科学与技术学院海水资源绿色利用团队在国际权威期刊《Journal of Materials Chemistry A》发表题为“Insights into adsorbent materials for lithium extraction by capacitive deionization: reconceptualizing the role of materials informatics”的研究成果。我院徐兴涛教授、吴文杰讲师为该论文的共同通讯作者,白亮讲师为该论文的第一作者。

金属锂被广泛的应用到电池、陶瓷、玻璃、润滑剂等领域,储能市场的指数级增加造成了锂资源的短缺。海水中锂的储量巨大,从海洋中提取锂资源可作为潜在的解决方案。然而,由于海水中锂离子的浓度低,离子环境复杂,从海水中提取锂离子面临着很大的技术挑战。相对其他传统提取技术,电容去离子(CDI)技术在海水提锂中表现出优异的性能。在CDI提取锂的过程中,高性能的电极材料起着至关重要的作用。在CDI电极材料的研究方面,传统方法依赖试错原理,材料设计和合成过程需要大量的人力和物力。材料信息学的出现使电极材料的设计和开发发生了革命性的变化,大大降低了CDI的应用成本。材料信息学,不仅可对CDI海水提锂中优异电极材料的选择性吸附机理进行解释。通过筛选符合条件的电极材料,还可对材料的合成设计起指导作用(图1)。在该研究成果中,研究团队结合自身的研究经验,阐明了CDI海水提锂的机制,介绍了近年来新型电极材料的研究进展。其次,研究团队展望了材料信息学在CDI海水提锂中的应用前景,特别强调了密度泛函理论(DFT)、分子动力学(MD)、机器学习(ML)和有限元模拟(FES)的协同利用,即利用DFT、MD和FES研究锂吸附机理,利用高通量计算和ML筛选新型电极材料(图2),研究成果有助于推进高选择性、高稳定性电极材料的设计,为高效、稳定、低成本的CDI海水提锂技术的发展奠定基础。

图1.高性能电极材料的实验和理论研究。实验层面:针对锂的需求,应用CDI技术从海水中提取锂;CDI的核心在于选择性和稳定性的电极。理论方面:电极材料的高选择性,可以通过DFT、MD、FES、ML等材料信息学方法提供理论解释;ML筛选优异的电极材料,DFT、MD、FES预测电极材料的特性。

图2、材料信息学对电极材料的筛选和分析。左:材料信息学分析电极材料的选择性、亲水性、电导率、稳定性,高通量计算和ML筛选出高稳定性和高选择性的电极材料;右:通过DFT、MD、FES等材料信息学方法对电极材料的性能进行分析,构建CDI电极材料的结构-性能关系。

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