阅读说明：本技术 膜电极材料及其制备方法及应用于吸附-电耦合法提取锂 (Membrane electrode material and preparation method thereof and application of membrane electrode material in lithium extraction by adsorption-electric coupling method ) 是由 项顼 孙颖 于 2020-06-15 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种膜电极材料及其制备方法以及将该材料应用于吸附-电耦合法提取锂,所述的膜电极材料表示为MnO@C,其制备步骤为：将碳酸锂和碳酸锰煅烧得到LiMn<Sub>2</Sub>O<Sub>4</Sub>,将其分散于盐酸溶液中,搅拌分离出固体产物,干燥得到λ-MnO<Sub>2</Sub>。将λ-MnO<Sub>2</Sub>加入到配制的Mn-MOF-74的原料液,水热反应得到Mn-MOF-74包覆的λ-MnO<Sub>2</Sub>。将其在氮气气氛下煅烧,得到膜电容电极材料MnO@C。将该材料制成吸附膜电极板,并用其组装吸附-电化学耦合提锂装置中。通过锂提取过程和锂回收过程在回收液池得到纯锂溶液。本发明制备电极材料碳包覆层厚度可调。吸附-电化学耦合技术结合吸附和电化学嵌锂的双重作用,能高容量的提取锂资源并回收。实现了锂资源的高效分离,并为锂资源的提取开辟新的途径。(The invention provides a membrane electrode material, a preparation method thereof and application of the material in lithium extraction by an adsorption-electric coupling method, wherein the membrane electrode material is expressed as MnO @ C, and the preparation steps are as follows: calcining lithium carbonate and manganese carbonate to obtainLiMn 2 O 4 Dispersing the solid in hydrochloric acid solution, stirring to separate out solid product, and drying to obtain lambda-MnO 2 . Adding lambda-MnO 2 Adding the mixture into a prepared Mn-MOF-74 raw material solution, and carrying out hydrothermal reaction to obtain Mn-MOF-74 coated lambda-MnO 2 . Calcining the material in a nitrogen atmosphere to obtain the membrane capacitor electrode material MnO @ C. The material is made into an adsorption film electrode plate, and the adsorption film electrode plate is assembled in an adsorption-electrochemical coupling lithium extraction device. And obtaining pure lithium solution in a recovery liquid pool through a lithium extraction process and a lithium recovery process. The thickness of the carbon coating layer of the electrode material prepared by the invention is adjustable. The adsorption-electrochemical coupling technology combines the double functions of adsorption and electrochemical lithium intercalation, and can extract and recover lithium resources with high capacity. Realizes the high-efficiency separation of the lithium resource and opens up a new way for the extraction of the lithium resource.)

膜电极材料及其制备方法及应用于吸附-电耦合法提取锂

技术领域

本发明涉及锂资源分离提取领域，具体涉及膜电极材料的制备方法，并将其用于吸附-电化学耦合法盐湖提取锂技术。

背景技术

锂是化学元素周期表中第一个金属元素，被广泛应用于各个领域。随着二次电池在电子设备中的应用，特别是锂离子电池被用来为新能源电动汽车提供动力，电池中锂的消耗量增加，使得电池占锂的用量占到其使用市场的一半以上。锂离子电池的需求量显著增加，市场对锂资源的需求量将急剧增长，预计同比增长20％。我国锂储量450万吨，盐湖卤水锂储量占到80％以上。盐湖提锂逐渐成为锂资源提取的一大趋势。

我国盐湖具有高镁锂比、高镁含量的难题，使得镁锂分离与锂提取面临巨大挑战，导致我国锂资源对外依存度达80％以上。一旦进口受阻，我国新能源产业、航天航空和核能等相关领域将陷入困境。与镁离子相比，我国盐湖卤水中锂的含量明显较低。当Mg/Li比低于6时，化学沉淀法可有效分离锂。然而，我国绝大多数盐湖卤水的Mg/Li比高于6。高镁锂比(Mg/Li)意味着不能采用简单的化学沉淀法，因为这将增加锂的损失，降低锂提取率。从高镁锂比盐湖回收锂最大的挑战就是将镁锂高效分离。由于镁和锂在元素周期表中对角线的位置，并且都是碱土金属，存在相似的化学性质。不仅如此，镁离子和锂离子的半径也很接近，分别为72pm和76pm。综上所述，高镁锂比盐湖卤水中锂提取难度很大。

吸附法将是以吸附剂的特定选择性原理去吸附卤水中的Li⁺，再以稀酸洗脱，得到富锂溶液。目前研究较多是铝盐吸附剂和离子筛型吸附剂。该方法工艺简单，回收率高，但存在吸附剂回收困难的问题，随着使用次数的增加离子通道易堵塞导致吸附能力降低、在酸处理过程吸附剂会发生溶解。

膜电容脱盐是一种新兴的离子分离技术，解决了离子筛型锰系吸附剂溶损的问题。膜电容脱盐具有较高的除盐效率、电极再生效率和能量利用效率，由于除盐时阴阳离子分别在不同区域，并且具有再生环节，避免了成垢离子积累，不易发生结垢。Lee等人采用LiMn₂O₄膜材料，吸附容量为350μmol/g，吸附容量较低(Lee D H.Selective lithiumrecovery from aqueous solution using a modified membrane capacitivedeionization system.Hydrometallurgy,

2017,173,283-288.)。Siekierka等人对LiMn₂O₄进行TiO₂掺杂改性，吸附容量显著提高到36.5mg/g，虽然达到了吸附法提锂的水平，但在该工艺中额外消耗了电能(Siekierka A.Lithium dedicated adsorbent for the preparation of electrodesuseful in the ion pumping method.Separation and Purification Technology,2018,194,231-238.)。目前膜电容提锂通过工艺改性和晶格掺杂方式提高膜电极的容量，依然存在锂吸附容量较低的问题。

本发明从选择性吸附和电化学嵌锂两个方面设计膜电极材料，并提出吸附-电化学耦合技术。以碳包覆的氧化锰([email protected])为膜电极材料，吸附反应过程中由于施加电压，电子流向[email protected]电极表面，溶液中锂离子被吸引，并嵌入膜电极材料发生吸附和电化学耦合反应。一部分MnO在晶格空位处吸附锂离子；另一部分MnO发生电化学反应，被还原为金属Mn，伴随着Li₂O形成。脱附反应过程中，施加反向电压，锂离子从MnO的晶格中脱附，金属Mn氧化为MnO，Li₂O反应生成锂离子。该过程中[email protected]膜电极对锂离子的选择性吸附作用和电化学反应耦合，协同实现锂资源高效提取。

发明内容

本发明的目的是提供一种膜电极材料及其制备方法，该膜电极材料用于吸附-电化学耦合技术提取锂。

本发明提供的膜电极材料化学组成为：[email protected]，其中C包,覆在MnO表面，碳层厚度为1-5nm。

膜电极材料的具体制备步骤如下：

A.将碳酸锂和碳酸锰按Li/Mn摩尔比为0.1～10的比例混合均匀，在300～800℃下煅烧1～8h，升温速率1～10℃/min，得到LiMn₂O₄。按照固液比为1:10～100，将LiMn₂O₄分散于0.1～2mol/L的盐酸溶液中，搅拌12～48h；分离出固体产物，干燥得到λ-MnO₂。

B.将MnCl₂·4H₂O、2,5-二羟基对苯二甲酸(DHTA)按照摩尔比为1～5：1的比例溶解到混合溶剂中，充分混合得到原料液；

所述的混合溶剂是X、乙醇、水按照(2～20)：1：1体积比配制的。其中X为丙酮、四氢呋喃、甲醇、N,N-二甲基甲酰胺中的一种或几种的混合液。

C、将步骤A的λ-MnO₂加入到步骤B制备的原料液中，使固含量为5～50g/L，混合均匀后转移到反应器中，在80℃～180℃下反应1～48h；冷却到室温，出料、悬浮液离心过滤，并用DMF溶液洗涤滤饼三次；于40℃～80℃下，干燥3～12h，得到粉末状Mn-MOF-74包覆的λ-MnO₂。

D.步骤C得到的粉末在管式气氛炉中氮气气氛下煅烧，温度为480℃～800℃，升温速率为2～10℃/min；得到的产物为C包覆在MnO表面，表示为[email protected]，其中碳层厚度为1-5nm。将[email protected]应用于吸附-电耦合法提取锂

(1)电极板制备：

活性炭电极板制备：将0.5g活性炭粉与0.2g聚偏氟乙烯混合，再加入5mL N,N-二甲基乙酰胺调成糊状，涂于石墨板上，在50℃的真空烘箱中干燥过夜，并使用辊压机进行压制成200μm的薄片，得到活性炭电极板。

吸附膜电极板制备：将0.2g聚乙烯醇溶于4mL水，加入0.5g [email protected]并滴加1mL戊二醛混合调成糊状，涂在石墨板上，干燥，在表面喷洒HCl溶液，于60℃真空干燥并压制成200μm的薄片，得到[email protected]膜电极板。

(2)将电极板组装进提锂装置中：

按照有机玻璃上板、吸附膜电极板、隔膜、阴离子交换膜、活性炭电极板、有机玻璃下板顺序组装成膜电容单元。电极面积为100cm²。

将原料池、蠕动泵、直流稳压电源、膜电容单元、电导率仪、计算机、测试槽和回收液池按图1进行组装。将原料池通过蠕动泵与膜电容单元上板的入口连接，膜电容单元下板的出口经测试槽与回收液池连接。电导率仪探针***测试槽中。直流稳压电源与膜电容单元连接；电导率仪、直流稳压电源与计算机相连用于设置条件参数和存储测试数据。

(3)提取锂步骤：

a、锂提取过程：运行装置，施加电压0.5～2V。原料池中含锂溶液通过蠕动泵流膜电容单元，含锂溶液中锂离子向吸附膜电极板迁移，并吸附在电极上；同时，氯离子通过阴离子交换膜向活性炭电极板迁移；隔膜阻碍了正负电极短接；在电压作用下发生公式1中的电化学反应；电导率随着装置运行时间延长而增加，并逐渐趋于平衡，即吸附容量达到上限，反应结束；反应后的溶液流入回收液池中，其中锂离子浓度降低，其他离子浓度基本不变，可返回原料池中继续提取锂。

含锂溶液的成分是：Li⁺浓度为0.01～100g/L，Mg²⁺浓度为0.01～100g/L，K⁺浓度为0.01～100g/L，Na⁺浓度为0.01～100g/L，Cl^-浓度为0.01～100g/L，SO₄ ^2-浓度为0.01～100g/L。

b、锂回收过程：将原料池中装入去离子水，运行装置，施加相反电压0.5～5V，即正负极反接，上述吸附在膜电极板上的锂离子被脱附到水中，膜电极材料发生公式2中的电化学反应，电导率随着装置运行时间延长而降低，并逐渐趋于平衡，即锂离子从吸附电极上完全脱出，反应结束，回收液池中为纯锂溶液，经蒸发浓缩后可直接用于制备电池级碳酸锂，锂被回收。

公式1：MnO+2Li⁺+2e^-→Mn⁰+Li₂O

公式2：Mn⁰+Li₂O-2e^-→MnO+2Li⁺

图2为实施例1制备吸附膜电极材料的(a)XRD图和(b)HRTEM图。表明合成了晶相为碳包覆的MnO结构材料，包覆层厚度为1.59nm。

图3是实施例1测试槽中锂离子浓度的变化(a)锂提取过程和(b)锂回收过程。通过检测锂离子浓度计算吸附容量为83.2mg/g，脱附率为96.4％。

本发明的显著效果：

制备电极材料[email protected]用于吸附-电化学耦合法含锂溶液中锂资源的提取，通过吸附和电化学协同的方法提锂，锂吸附量达83.0mg/g，脱出率高达96.1％，实现了锂资源的高效分离，并为锂资源的提取提供了重要途径。本发明电极材料碳包覆层厚度可调，在吸附-电化学耦合技术下能高容量的提取锂资源并回收。

附图说明

图1是吸附-电化学耦合技术提锂装置示意图。(1)为原料池、(2)为蠕动泵、(3)为直流稳压电源、(4)为膜电容单元、(5)为电导率仪、(6)为计算机、(7)为测试槽、(8)为回收液池。

图2是实施例1制备吸附膜电极材料的表征图，(a)为X射线衍射图，(b)高分辨率的透射电镜图。

图3是实施例1测试槽中锂离子浓度的变化，(a)锂提取过程和，(b)锂回收过程

具体实施方式

实施例1

A.称取Li₂CO₃ 2.9556g，MnCO₃ 18.392g，在500℃下煅烧4h，升温速率3℃/min，得到LiMn₂O₄。将2.7g LiMn₂O₄分散于120mL的0.5mol/L盐酸溶液中，搅拌24h；分离出固体产物，干燥得到λ-MnO₂。

B.量取N,N-二甲基甲酰胺53mL、乙醇3.5mL、水3.5mL配置混合溶液，称取MnCl₂·4H₂O2.198g、2,5-二羟基对苯二甲酸0.6665g溶解到混合溶液中，制备Mn-MOF-74的原料液。

C.将步骤A所得的1.5gλ-MnO₂加入到步骤B制备的60mL Mn-MOF-74的原料液中，混合均匀后转移到反应器中，在80℃下反应2h；冷却到室温，出料、悬浮液离心过滤，并用DMF溶液洗涤三次；于40℃下，干燥12h，得到Mn-MOF-74包覆的λ-MnO₂。

D.步骤C所得粉末在管式气氛炉中氮气气氛下煅烧，温度为480℃，升温速率为10℃/min。得到的煅烧产物即为膜电容电极材料[email protected]，碳包覆层厚度为1.59nm，XRD图和HRTEM图见图2。

将[email protected]应用于吸附-电耦合法提取锂

(1)电极板制备：

活性炭电极板制备：将0.5g活性炭粉和0.2g聚偏氟乙烯混合，溶解于5mL N,N-二甲基乙酰胺中混合调成糊状，涂于石墨板上，在50℃的真空烘箱中干燥过夜，并使用辊压机进行压制成200μm的薄片，得到活性炭电极板。

吸附膜电极板制备：将0.2g聚乙烯醇溶于4mL水，加入0.5g膜电容电极材料并滴加1mL戊二醛，并涂在石墨板上，干燥，在表面喷洒HCl溶液，于60℃真空干燥并压制成200μm的薄片，得到[email protected]膜电极板。

(2)将电极板组装进提锂装置中：

按照有机玻璃上板、吸附膜电极板、隔膜、阴离子交换膜、活性炭电极板、有机玻璃下板顺序组装膜电容单元。电极面积为100cm²。

将原料池、蠕动泵、直流稳压电源、膜电容单元、电导率仪、计算机、测试槽和回收液池按图1进行组装。

(3)提取锂步骤

a、锂提取过程：运行装置，施加电压1.0V。原料池中溶液Li⁺浓度为0.05g/L，Mg²⁺浓度为0.633g/L，K⁺浓度为0.1g/L，Na⁺浓度为2g/L，Cl^-浓度为3.43g/L。原料池中溶液通过蠕动泵流入膜电容单元，溶液中锂离子向吸附膜电极板迁移，并吸附在电极上。回收液池中含有少量锂离子，可返回原料液中继续提取锂。电导率随着装置运行时间延长而增加，并逐渐趋于平衡，达到平衡所需时间为123s，通过ICP测试，吸附锂质量为41.6mg，吸附容量为83.2mg/g。锂提取过程测试槽中锂离子浓度的变化见图3(a)。

b、锂回收过程：原料池中装入去离子水，运行装置，施加相反电压3.5V，即正负极反接。原料池中装入去离子水，锂离子被脱附到水溶液中。回收液池为纯锂溶液。电导率随着装置运行时间延长而降低，并逐渐趋于平衡，通过ICP测试，脱附锂质量为40.1mg，脱附率为96.4％。锂回收过程测试槽中锂离子浓度的变化见图3(b)。

实施例2

A.称取Li₂CO₃ 1.4778g，MnCO₃ 9.196g，在550℃下煅烧5h，升温速率4℃/min，得到LiMn₂O₄。将1.35g LiMn₂O₄分散于60mL的0.5mol/L盐酸溶液中，搅拌26h；分离出固体产物，干燥得到λ-MnO₂。

B.量取N,N-二甲基甲酰胺26.5mL、乙醇1.8mL、水1.8mL配置混合溶液，称取MnCl₂·4H₂O 1.099g、2,5-二羟基对苯二甲酸0.333g溶解到混合溶液中，制备Mn-MOF-74的原料液。

C.将步骤A所得的1.5gλ-MnO₂加入到步骤B制备的60mL Mn-MOF-74的原料液中，混合均匀后转移到反应器中，在60℃下反应4h；冷却到室温，出料、悬浮液离心过滤，并用DMF溶液洗涤三次；于50℃下，干燥10h，得到Mn-MOF-74包覆的λ-MnO₂。

D.步骤C所得粉末在管式气氛炉中氮气气氛下煅烧，温度为530℃，升温速率为10℃/min。得到的煅烧产物即为为膜电容电极材料[email protected]，碳包覆层厚度为2.86nm。

将[email protected]用作膜电容电极材料应用于吸附-电耦合法提取锂

(1)电极板制备同实施例1

(2)将电极板组装进提锂装置中同实施例1

(3)提取锂步骤

a、锂提取过程：运行装置，施加电压1.2V。原料池中溶液Li⁺浓度为0.11g/L，Mg²⁺浓度为1.39g/L，K⁺浓度为0.5g/L，Na⁺浓度为2.5g/L，Cl^-浓度为4.87g/L。反应达到平衡所需时间为399s，通过ICP测试，吸附锂质量为25.4mg，吸附容量为50.8mg/g。

b、锂回收过程：原料池中装入去离子水，运行装置，施加相反电压2.5V，即正负极反接。通过ICP测试，脱附锂质量为24.7mg，脱附率为97.4％。

实施例3

A.称取Li₂CO₃ 5.9112g，MnCO₃ 36.784g，在600℃下煅烧6h，升温速率8℃/min，得到LiMn₂O₄。将5.4g LiMn₂O₄分散于240mL的0.5mol/L盐酸溶液中，搅拌36h；分离出固体产物，干燥得到λ-MnO₂。

B.量取N,N-二甲基甲酰胺106mL、乙醇7mL、水7mL配置混合溶液，称取MnCl₂·4H₂O4.396g、2,5-二羟基对苯二甲酸1.333g溶解到混合溶液中，制备Mn-MOF-74的原料液。

C.将步骤A所得的1.5gλ-MnO₂加入到步骤B制备的60mL Mn-MOF-74的原料液中，混合均匀后转移到反应器中，在40℃下反应6h；冷却到室温，出料、悬浮液离心过滤，并用DMF溶液洗涤三次；于60℃下，干燥8h，得到Mn-MOF-74包覆的λ-MnO₂。

D.步骤C所得粉末在管式气氛炉中氮气气氛下煅烧，温度为580℃，升温速率为10℃/min。得到的煅烧产物即为膜电容电极材料[email protected]，碳包覆层厚度为3.01nm。

将[email protected]用作膜电容电极材料应用于吸附-电耦合法提取锂

(1)电极板制备同实施例1

(2)将电极板组装进提锂装置中同实施例1

(3)提取锂步骤

a、锂提取过程：运行装置，施加电压0.8V。原料池中溶液Li⁺浓度为0.5g/L，Mg²⁺浓度为6.33g/L，K⁺浓度为1g/L，Na⁺浓度为3g/L，Cl^-浓度为8.08g/L。反应达到平衡所需时间为387s，通过ICP测试，吸附锂质量为29.8mg，吸附容量为59.6mg/g。

b、锂回收过程：原料池中装入去离子水，运行装置，施加相反电压2.8V，即正负极反接。通过ICP测试，脱附锂质量为28.8mg，脱附率为96.8％。

实施例4

A.称取Li₂CO₃ 4.4334g，MnCO₃ 27.588g，在650℃下煅烧8h，升温速率10℃/min，得到LiMn₂O₄。将4.05g LiMn₂O₄分散于180mL的0.5mol/L盐酸溶液中，搅拌48h；分离出固体产物，干燥得到λ-MnO₂。

B.量取N,N-二甲基甲酰胺79.5mL、乙醇5.3mL、水5.3mL配置混合溶液，称取MnCl₂·4H₂O 3.297g、2,5-二羟基对苯二甲酸0.999g溶解到混合溶液中，制备Mn-MOF-74的原料液。

C.将步骤A所得的1.5gλ-MnO₂加入到步骤B制备的60mL Mn-MOF-74的原料液中，混合均匀后转移到反应器中，在100℃下反应2h；冷却到室温，出料、悬浮液离心过滤，并用DMF溶液洗涤三次；于50℃下，干燥12h，得到Mn-MOF-74包覆的λ-MnO₂。

D.步骤C所得粉末在管式气氛炉中氮气气氛下煅烧，温度为630℃，升温速率为10℃/min。得到的煅烧产物即为膜电容电极材料[email protected]，碳包覆层厚度为3.59nm。

将[email protected]用作膜电容电极材料应用于吸附-电耦合法提取锂

(1)电极板制备同实施例1

(2)将电极板组装进提锂装置中同实施例1

(3)提取锂步骤

a、锂提取过程：运行装置，施加电压1.1V。原料池中溶液Li⁺浓度为1.5g/L，Mg²⁺浓度为18.99g/L，K⁺浓度为1.5g/L，Na⁺浓度为5g/L，Cl^-浓度为16.73g/L。反应达到平衡所需时间为123s，通过ICP测试，吸附锂质量为31.6mg，吸附容量为63.2mg/g。

b、锂回收过程：原料池中装入去离子水，运行装置，施加相反电压3.5V，即正负极反接。通过ICP测试，脱附锂质量30.1mg，脱附率为95.3％。

实施例5

A.称取Li₂CO₃ 5.172g，MnCO₃ 32.186g，在500℃下煅烧4h，升温速率3℃/min，得到LiMn₂O₄。将4.725g LiMn₂O₄分散于204mL的0.5mol/L盐酸溶液中，搅拌24h；分离出固体产物，干燥得到λ-MnO₂。

B.量取N,N-二甲基甲酰胺90mL、乙醇6mL、水6mL配置混合溶液，称取MnCl₂·4H₂O3.737g、2,5-二羟基对苯二甲酸1.133g溶解到混合溶液中，制备Mn-MOF-74的原料液。

C.将步骤A所得的1.5gλ-MnO₂加入到步骤B制备的60mL Mn-MOF-74的原料液中，混合均匀后转移到反应器中，在120℃下反应1h；冷却到室温，出料、悬浮液离心过滤，并用DMF溶液洗涤三次；于50℃下，干燥12h，得到Mn-MOF-74包覆的λ-MnO₂。

D.步骤C所得粉末在管式气氛炉中氮气气氛下煅烧，温度为530℃，升温速率为10℃/min。得到的煅烧产物即为膜电容电极材料[email protected]，碳包覆层厚度为4.857nm。

将[email protected]用作膜电容电极材料应用于吸附-电耦合法提取锂

(1)电极板制备同实施例1

(2)将电极板组装进提锂装置中同实施例1

(3)提取锂步骤

a、锂提取过程：运行装置，施加电压1.1V。原料池中溶液Li⁺浓度为1.5g/L，Mg²⁺浓度为18.99g/L，K⁺浓度为1.5g/L，Na⁺浓度为5g/L，Cl^-浓度为16.73g/L。反应达到平衡所需时间为270s，通过ICP测试，吸附锂质量为35.7mg，吸附容量为71.4mg/g。

b、锂回收过程：原料池中装入去离子水，运行装置，施加相反电压3.5V，即正负极反接。通过ICP测试，脱附锂质量为34.4mg，脱附率为96.5％。