研 究 背 景

全球能源转型推动锂电池需求激增，国际能源署预测 2040 年锂需求将增长 8 倍，超 61% 锂资源储存在低浓度盐湖卤水中。传统太阳能蒸发提锂耗水耗时，周期长达 9–18 个月，产能扩张受限。电化学嵌脱锂（EID）是高效提锂路线，但现有锰酸锂、磷酸铁锂等电极依赖钴、锰关键矿产，水溶液体系易发生金属溶出、结构劣化，且材料本身含锂，使用前需预脱锂，工业化瓶颈突出。三氧化钨（WO₃）不含紧缺关键金属、理论容量高、结构耐受高电位，但本征带隙宽、导电性差，锂扩散动力学迟缓，制约卤水提锂应用。现有研究仅聚焦有机高浓电解液，缺乏低 ppm 稀卤水体系的性能与机理验证，本文采用火焰喷雾热解制备纳米 WO₃，并包覆还原氧化石墨烯（rGO）改性，探究其盐湖提锂应用潜力。

成 果 介 绍

本研究采用一步规模化火焰喷雾热解（FSP）制备纳米 WO₃颗粒，通过 PDDA 修饰包覆不同负载量氧化石墨烯，再水合肼还原得到 WO₃@rGO 复合电极。以阿根廷 Hombre Muerto 盐湖模拟卤水（锂浓度 1057 ppm）为测试体系，系统完成形貌、晶体、光谱电化学表征，搭配原位 / 同步辐射 XAS 解析锂嵌脱微观机制。最优 WO₃@rGO-4 样品锂提取速率达 3 mmol Li g^-1 h^-1，模拟卤水锂回收效率 43%；rGO 碳层可降低电荷转移阻抗、抑制钨溶出，同时实现锂离子选择性筛分。原位 XANES 与 EXAFS 证实嵌锂过程 W⁶⁺可逆还原，脱锂后晶格结构恢复，明确 WO₃基电极电化学提锂本征反应机理，为无过渡金属稀缺矿产型卤水提锂电极提供全新可行方案。该成果以“Hierarchically Engineered Transition Metal Electrode for Direct Lithium Extraction From Brine”为题发表在Carbon Energy 期刊上。

研 究 亮 点

1.新型无锂基底电极：选用非关键矿产 WO₃为主体，无需预脱锂工序，规避锰、钴原料供应链地缘风险，大幅降低电极制备成本。

2.rGO 协同多重增益改性：碳包覆层同时实现三重作用：构建导电网络提升动力学、隔绝电解液抑制钨溶出、利用道南效应筛分阳离子，提升 Li⁺/Na⁺、Li⁺/K⁺选择性。

3.原位同步辐射机理佐证：采用原位 XANES、EXAFS 追踪电位调控下钨价态与 W-O 键长可逆演变，区分锂嵌入与质子插层两种过程，阐明完整可逆嵌脱锂微观机制。

4.真实盐湖体系验证：贴合南美盐湖低锂、多竞争阳离子工况完成选择性与长循环测试，48 h 连续循环电极电化学信号稳定，具备实际卤水应用开发潜力。

图 文 解 析

图 1 火焰喷雾热解制备 WO₃及 rGO 包覆改性流程、TEM/HRTEM 形貌晶格表征

图 2 商用 WO₃与不同碳包覆样品 XRD、W 4f XPS、拉曼光谱对比

图 3 纯 WO₃与 FSP-WO₃电化学曲线、提锂速率、钨溶损、原位 XAS 谱图

图 4 不同 rGO 负载量复合电极 CV、提锂性能、金属溶损、EIS 与 XAS 测试结果

图 5 WO₃@rGO 电极盐湖卤水提锂反应机理示意图

研 究 小 结

本工作证实 rGO 包覆改性纳米三氧化钨可作为高效电化学卤水提锂电极。0.5 wt.% 还原氧化石墨烯包覆的 WO₃@rGO-4 综合性能最优，在模拟高杂质盐湖卤水中锂提取速率可达 3 mmol Li g^-1 h^-1，锂回收效率 43%。rGO 导电网络降低电荷转移阻力，碳保护层有效抑制活性钨组分溶蚀，同时依靠尺寸筛分作用提升锂离子选择性；同步辐射原位谱学表征证明锂嵌入时 W⁶⁺发生可逆还原，晶格可在脱锂后恢复，电极结构稳定性优异。该体系无需锂源前驱体，不依赖钴、锰稀缺关键金属，相比传统尖晶石提锂电极环境与经济优势显著。后续将针对析氢副反应抑制、回收效率提升开展优化，并在天然复杂盐湖原液中开展中试验证，推进该电极体系工业化落地。

相关论文信息

论文原文在线发表于Carbon Energy，点击“阅读原文”查看论文。

论文标题：

Hierarchically Engineered Transition Metal Electrode for Direct Lithium Extraction From Brine

文章研究方向：

过渡金属氧化物功能电极材料

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.70270

DOI: 10.1002/cey2.70270

关于“Carbon Energy”

Carbon Energy（《碳能源（英文）》）由温州大学和Wiley携手创办，聚焦清洁能源、光电催化、新型碳制造、碳减排等领域，旨在成为国内外优秀科研成果展示的高端平台、国家重大科研战略的助推器和广大科研工作者喜爱阅读的科研工具，立志成为未来“碳时代”高影响力的学术旗舰期刊。期刊创刊主编为丽水学院校长、温州大学原副校长王舜教授。

Carbon Energy 2018年创刊，2019年入选中国科技期刊卓越行动计划“高起点新刊”，2020年获批国内统一连续出版物号，连续五年入选科技期刊世界影响力指数（WJCI）报告，连续四年入选“中国最具国际影响力学术期刊”和中国科学院材料科学1区Top期刊，连续三年入选“北京国际图书博览会中国精品期刊展”，相继被DOAJ、CAS、ESCI、Scopus、SCIE、INSPEC、CSCD、OAJ、中国科技核心期刊目录等收录，2024年入选中国高校科技期刊建设示范案例库杰出科技期刊入库案例和中国科技期刊卓越行动计划二期英文梯队期刊项目。2025年影响因子为21.4，在能源与燃料、纳米科技、物理化学三大领域位列全球期刊前九，材料科学（多学科）领域472本期刊中，位列19。在此基础上，孵化《碳中和（英文）》和《碳创新（英文）》子刊。

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