界面光热盐湖提锂技术

01导读

南京大学朱嘉教授、陈骏院士与合作者在盐湖锂资源绿色开发领域取得重要突破。该工作通过仿生盐土植物的“选择性吸收-储存-释放”机制，成功开发界面光热盐湖提锂技术。该技术利用界面光热蒸腾效应，强化纳米通道传质并驱动高精度离子分离，实现了高锂利用率、高选择性、低碳排放的太阳能盐湖提锂。这一技术有望推动我国青藏盐湖锂资源的绿色开发，减少对进口锂矿的依赖，保障战略性关键金属锂的安全供给。

研究成果以“Solar transpiration–powered lithium extraction and storage”为题，于2024年9月27日发表于《Science》期刊上。

02研究背景

锂作为全球能源转型中的战略性关键金属，广泛应用于电动汽车电池和可再生能源储能系统。盐湖型锂矿是全球锂资源的主要来源，以我国为例，青藏高原蕴藏着丰富的盐湖锂矿资源。然而，由于盐湖化学条件复杂以及环境保护要求严格，至今尚未实现大规模开采，成为我国盐湖锂资源开发的“卡脖子”难题。因此，发展高效、可持续的盐湖提锂新技术，是破解这一难题的关键，具有重要的经济价值和战略意义。

自然界中的许多生命系统，例如盐生植物，具备高效提取特定物质的能力。盐生植物能够利用蒸腾作用，从盐碱环境中选择性吸收盐分和水分，并通过特定器官储存和排出体内多余的盐分。这种“选择性吸收-储存-释放”机制，使盐生植物能够在极端盐碱环境中维持正常的新陈代谢和生长，也为开发高效、可持续的盐湖锂资源提取技术提供了重要的仿生学启示。

03研究创新点

朱嘉教授团队借鉴盐土植物对盐分的“选择性吸收-储存-释放”机制，成功开发了界面光热盐湖提锂材料与器件（图1A和1B）。该团队采用高效光热转换的铝基等离激元蒸发器（图1C）作为界面光热层，实现了水的快速蒸发并在百纳米通道内产生超高毛细压强。同时，他们采用亲水多孔的二氧化硅陶瓷作为锂盐存储层（图1D），聚酰胺纳滤膜作为离子筛分层（图1E），实现了锂离子的选择性提取和存储。装置运行过程中，水和锂盐在毛细压强作用下穿过离子筛分层进入存储层，随后通过水循环系统收集，完成装置再生。

图1 界面光热盐湖提锂的运行机制和器件组成。（A-B）界面光热盐湖提锂的运行机制；（C-E）从上到下分别为：光热蒸发器、存储层和离子筛分层。

研究团队搭建了界面光热盐湖提锂平台（图2A-2C），对其盐湖提锂性能进行了全面评估（图2D-2E），并测试了该装置在盐湖卤水中的提锂效果，结果表明该平台能够高效地从稀释的盐湖卤水中提取锂（图2F）。得益于其可再生能力，装置在528小时的连续运行中表现出了优异的稳定性（图2G），从而展示了其在长期应用中的巨大潜力。

图2 界面光热盐湖提锂的性能和稳定性。

此外，界面光热盐湖提锂装置还具有良好的兼容性和可扩展性。通过优化离子分离层（图3A），单级装置的锂选择性提升了6倍；通过多级提锂工艺，锂选择性可提升近40倍（图3B）。模块化设计赋予该系统良好的扩展能力，锂产量随模块数量线性增长，充分展示了其在大规模应用中的潜力（图3C和3D）。

图3界面光热盐湖提锂装置的兼容性和可扩展性。

04总结与展望

界面光热盐湖提锂技术充分利用清洁的太阳能，有效提取盐湖中的关键锂资源。这一技术有望推动我国青藏盐湖锂资源的绿色开发，减少我国对进口锂矿的依赖，保障我国战略性关键金属锂的安全供给。

南京大学为第一完成单位，特任副研究员宋琰与博士研究生方诗琦为论文的共同第一作者，南京大学朱嘉教授与加州大学米宝霞教授为论文共同通讯作者，陈骏院士对该工作进行了深入指导。该工作得到了南京大学徐凝副教授、美国加州大学王墨农博士等的支持；也得到了国家自然科学基金委、科技部重点研发计划、新基石科学基金会科学探索奖等项目的资助；南京大学固体微结构物理国家重点实验室、关键地球物质循环教育部前沿科学中心和人工微结构科学与技术协同创新中心对该项研究工作给予了重要支持。

论文链接：https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.adm7034