橫跨智利阿塔卡馬沙漠的大型含鋰鹽水蒸發(fā)池。圖片來源：JOHN MOORE

如今，作為電動(dòng)汽車制造、航空航天等許多領(lǐng)域必不可少的關(guān)鍵金屬，鋰被稱為“白金”“白色石油”。據(jù)《科學(xué)》報(bào)道，近期的一系列研究成果有望實(shí)現(xiàn)鋰的高效、低能耗、綠色提取。

全球鋰資源供不應(yīng)求。目前大部分鋰開采自智利、阿根廷、玻利維亞等地巨大的含鋰鹽水蒸發(fā)池。人們通過日照蒸發(fā)水分并濃縮鋰離子，然后向其中添加化學(xué)物質(zhì)，使鋰以固體碳酸鋰的形式析出。然而，采用這種提取方法僅蒸發(fā)這一步就需要一年多時(shí)間，并且綿延數(shù)百平方公里的蒸發(fā)池大多設(shè)在沙漠中，建造和維護(hù)成本高昂。

為解決上述問題，研究人員一直在探索高效、低能耗、綠色的鋰資源開采方法。例如用電力替代太陽光，該方法通常會(huì)設(shè)置兩個(gè)裝有電極的腔室，一個(gè)充滿鹽水，另一個(gè)充滿純凈水，兩個(gè)腔室由一層只允許某些特定離子通過的膜隔開。純水腔室中的水分子電離產(chǎn)生氫氣和氫氧根離子，這些帶負(fù)電的離子會(huì)吸引鹽水腔室中帶正電的鋰離子，并使其穿過膜。同時(shí)，在鹽水腔室一側(cè)，水在電極上失去電子，最終產(chǎn)生氧氣。如此循環(huán)往復(fù)，直至純水腔室中的鋰濃度足夠大而沉淀出來。

這個(gè)方法并不新鮮，但存在兩個(gè)弊端。一是該裝置需要消耗大量電力，且大部分用在形成氧氣的非常緩慢的反應(yīng)上;二是鹽水腔室會(huì)緩慢反應(yīng)生成有毒的氯氣。

如今，美國斯坦福大學(xué)材料科學(xué)家崔屹等人開發(fā)了一種緩解上述問題的方法，即在鋰離子被吸引到純水腔室時(shí)，捕獲該腔室產(chǎn)生的氫氣，并將其輸送到摻有氫氧化鈉的鹽水腔室。這種廉價(jià)添加劑釋放的氫氧根離子，只需要很小的電壓就可以與注入的氫氣反應(yīng)并形成水。該方法將整個(gè)裝置的電力需求減少了80%，并從一開始就防止了氧氣的形成。此外，上述快速反應(yīng)還可以防止有毒氯氣的生成。相關(guān)研究成果近日發(fā)表于《物質(zhì)》。

崔屹團(tuán)隊(duì)此前曾利用銀電極開發(fā)了一種能一邊發(fā)電一邊提取鋰的裝置。雖然該裝置提取鋰的速度大約只有新方法的一半，但增加了鋰提取有一天成為負(fù)碳過程的可能性。

在另一項(xiàng)研究中，美國萊斯大學(xué)的工程師Lisa Biswal和同事開發(fā)了一種3腔室裝置，也同樣能夠抑制有毒氯氣的產(chǎn)生。相關(guān)研究近期發(fā)表于美國《國家科學(xué)院院刊》。

研究人員將鹽水腔室設(shè)置在兩個(gè)裝有電極的純水腔室之間，3個(gè)腔室通過離子膜分隔。Biswal說，鋰離子在通電后最終會(huì)集中在其中一個(gè)純水腔室中，離子膜則使氯離子保留在中間的鹽水腔室中，從而防止它們遇到純水腔室中的電極而生成氯氣。

“如果我們能實(shí)現(xiàn)更快、更高效、低能耗的采集，那么就會(huì)有足夠的鋰滿足我們的所有需求。”Biswal說。(徐銳)

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1073/pnas.2410033121