【儀表網 研發快訊】南京大學朱嘉教授、陳駿院士與合作者在鹽湖鋰資源綠色開發領域取得重要突破。該工作通過仿生鹽土植物的“選擇性吸收-儲存-釋放”機制，成功開發界面光熱鹽湖提鋰技術。該技術利用界面光熱蒸騰效應，強化納米通道傳質并驅動高精度離子分離，實現了高選擇性、低能耗、低碳排放的太陽能鹽湖提鋰。這一技術有望推動我國青藏鹽湖鋰資源的綠色開發，減少對進口鋰礦的依賴，保障戰略性關鍵金屬鋰的安全供給。相關研究成果以“Solar transpiration-powered lithium extraction and storage”為題，于2024年9月27日發表于《Science》期刊(DOI: 10.1126/science.adm7034)。
鋰作為全球能源轉型中的戰略性關鍵金屬，廣泛應用于電動汽車電池和可再生能源儲能系統。鹽湖型鋰礦是全球鋰資源的重要來源，以我國為例，青藏高原擁有及其豐富的鹽湖資源蘊藏著巨大的鋰礦儲量。然而，由于復雜的鹽湖化學條件和極高的環境保護要求，至今難以大規模開采利用，成為我國鋰礦開采的“卡脖子”難題。因此，發展綠色、環保、可持續的鹽湖提鋰新技術，是破解這一難題的關鍵，具有重要的經濟社會價值和戰略意義。
自然界中的許多生命系統，例如鹽生植物，具備高效提取特定物質的能力。鹽生植物能夠利用蒸騰作用，從鹽堿環境中選擇性吸收鹽分和水分，并通過特定器官儲存和排出體內多余的鹽分。這種“選擇性吸收-儲存-釋放”機制，使鹽生植物能夠在極端鹽堿環境中維持正常的新陳代謝和生長，也為開發高效、可持續的鹽湖鋰資源提取技術提供了重要的仿生學啟示。
受此啟發，南京大學研究團隊成功開發了界面光熱鹽湖提鋰裝置(STLES)。其結構和工作原理如圖1所示，主要包括三部分：(1)界面光熱蒸騰作用在蒸發器納米通道(圖1C)內產生超高毛細壓強；(2)該毛細壓強傳遞至離子分離層(圖1E)，驅動鋰離子選擇性從鹽水進入儲存層；(3)通過水循環系統收集儲存層(圖1D)中富集的鋰鹽，并實現裝置再生。
圖1 界面光熱鹽湖提鋰的運行機制和器件組成。
研究團隊搭建了界面光熱鹽湖提鋰平臺(圖2A-2C)，對其鹽湖提鋰性能進行了全面評估(圖2D-2E)，并測試了該裝置在鹽湖鹵水中的提鋰效果，結果表明該平臺能夠高效地從稀釋的鹽湖鹵水中提取鋰(圖2F)。得益于其可再生能力，裝置在528小時的連續運行中表現出了優異的穩定性(圖2G)，從而展示了其在長期應用中的巨大潛力。
此外，界面光熱鹽湖提鋰裝置還具有良好的兼容性和可擴展性。通過優化離子分離層，單級裝置的鋰選擇性提升了6倍；通過多級提鋰工藝，鋰選擇性可提升近40倍。模塊化設計賦予該系統良好的擴展能力，鋰產量隨模塊數量線性增長，充分展示了其在大規模應用中的潛力。
圖2 界面光熱鹽湖提鋰的性能和穩定性。
界面光熱鹽湖提鋰技術充分利用清潔、充沛的太陽能，有效提取鹽湖中的關鍵鋰資源。這項關鍵技術的研發成功有望提供一條解決路徑，改變我國鋰礦資源大量依賴進口的局面。
南京大學為第一完成單位，特任副研究員宋琰與博士研究生方詩琦為論文的共同第一作者，南京大學朱嘉教授與加州大學米寶霞教授為論文共同通訊作者，陳駿院士對該工作進行了深入指導。該工作得到了南京大學徐凝副教授、美國加州大學王墨農博士等的支持；也得到了國家自然科學基金委、科技部重點研發計劃、新基石科學基金會科學探索獎等項目的資助；南京大學固體微結構物理國家重點實驗室、關鍵地球物質循環教育部前沿科學中心和人工微結構科學與技術協同創新中心對該項研究工作給予了重要支持。
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