革命性的膜技术从水中提取锂

伊利诺伊州莱蒙特阿贡国家实验室和伊利诺伊州芝加哥大学

用于研究膜传输行为的 H 形池——一半是盐水混合物（蓝色液体），另一半显示膜分离后的结果（透明液体）。从左到右：赛斯·达林和刘一宁。 （图片来源：阿贡国家实验室）

锂是元素周期表上最轻的金属，在现代生活中发挥着举足轻重的作用。其重量轻、能量密度高，使其成为电动汽车、手机、笔记本电脑和军事技术的理想选择，因为每一盎司都很重要。随着锂需求的飙升，人们对供应和可靠性的担忧日益加剧。

为了帮助满足不断增长的需求和可能的供应链问题，美国能源部 (DOE) 阿贡国家实验室的科学家开发了一种创新的膜技术，可以有效地从水中提取锂。多名团队成员还与芝加哥大学普利兹克分子工程学院 (PME) 联合任职。

阿贡先进能源技术理事会首席科学技术官 Seth Darling 表示：“我们开发的新膜为国内锂提取提供了一种潜在的低成本且丰富的替代方案。”他还是阿贡国家能源水系统先进材料 (AMEWS) 能源前沿研究中心主任和 PME 高级科学家。

目前，世界上大部分锂都来自少数几个国家的硬岩开采和盐湖，导致供应链容易受到干扰。然而，地球上的大部分锂实际上溶解在海水和地下盐水储备中。问题？从这些非常规来源中提取它的成本高昂、耗能且效率低下。传统方法很难将锂与钠和镁等其他更丰富的元素分离。

在盐水中，锂和其他元素以阳离子形式存在。这些原子失去了一个或多个电子，从而赋予它们正电荷。高效提取锂的关键在于根据大小和电荷程度过滤掉其他阳离子。

蛭石膜的原子结构，显示由氧化铝柱支撑的二维层。黄球是掺杂钠离子的。 （图片来源：阿贡国家实验室）

这种新型膜提供了一种有前景的低成本解决方案。它由蛭石制成，蛭石是一种天然丰富的粘土，每吨成本仅为 350 美元左右。该团队开发了一种工艺，将粘土剥离成超薄层（只有十亿分之一米厚），然后将它们重新堆叠形成一种过滤器。这些层非常薄，被认为是二维的。

但有一个问题：未经处理的粘土层由于与水的亲和力很强，在半小时内就会分解。

为了解决这个问题，研究人员在各层之间插入了微观的氧化铝柱，使该结构看起来像正在建设中的高层停车场——许多坚固的柱子将每个“地板”固定到位。这种结构可以防止塌陷，同时中和膜的负表面电荷，这是后续修改的关键步骤。

接下来，将钠阳离子引入膜中，它们沉积在氧化铝柱周围。这使得膜的表面电荷从中性变为正电荷。在水中，镁离子和锂离子都带有正电荷，但与锂离子 (+1) 相比，镁离子带有更高的电荷 (+2)。膜的带正电表面对带电较高的镁离子的排斥力比对锂离子的排斥力更大。这种差异使得膜更容易捕获锂离子，同时阻止镁离子进入。

为了进一步提高性能，该团队添加了更多的钠离子。这减小了膜的孔径。结果是，膜允许钠和钾等较小的离子通过，同时捕获较大的锂离子。

“通过离子大小和电荷的过滤，我们的膜可以以更高的效率从水中提取锂，”第一作者、博士生 Yining Liu 说。芝加哥大学的候选人和 AMEWS 团队的成员。 “这样的膜可以减少我们对外国供应商的依赖，并为我们从未考虑过的地方打开新锂储量的大门。”

研究人员认为，这一突破可能具有更广泛的应用，从回收镍、钴和稀土元素等其他关键材料，到去除供水中的有害污染物。

“这种粘土材料有很多种，”刘说。 “我们正在探索它如何帮助从海水和盐湖卤水中收集关键元素，甚至帮助净化我们的饮用水。”

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