橫跨智利阿塔卡馬沙漠的大型含鋰鹽水蒸發池。圖片來源：JOHN MOORE

如今，作為電動汽車制造、航空航天等許多領域必不可少的關鍵金屬，鋰被稱為“白金”“白色石油”。據《科學》報道，近期的一系列研究成果有望實現鋰的高效、低能耗、綠色提取。

全球鋰資源供不應求。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池。人們通過日照蒸發水分并濃縮鋰離子，然后向其中添加化學物質，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這一步就需要一年多時間，并且綿延數百平方公里的蒸發池大多設在沙漠中，建造和維護成本高昂。

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，該方法通常會設置兩個裝有電極的腔室，一個充滿鹽水，另一個充滿純凈水，兩個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生氫氣和氫氧根離子，這些帶負電的離子會吸引鹽水腔室中帶正電的鋰離子，并使其穿過膜。同時，在鹽水腔室一側，水在電極上失去電子，最終產生氧氣。如此循環往復，直至純水腔室中的鋰濃度足夠大而沉淀出來。

這個方法并不新鮮，但存在兩個弊端。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上;二是鹽水腔室會緩慢反應生成有毒的氯氣。

如今，美國斯坦福大學材料科學家崔屹等人開發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，捕獲該腔室產生的氫氣，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并形成水。該方法將整個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，上述快速反應還可以防止有毒氯氣的生成。相關研究成果近日發表于《物質》。

崔屹團隊此前曾利用銀電極開發了一種能一邊發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碳過程的可能性。

在另一項研究中，美國萊斯大學的工程師Lisa Biswal和同事開發了一種3腔室裝置，也同樣能夠抑制有毒氯氣的產生。相關研究近期發表于美國《國家科學院院刊》。

研究人員將鹽水腔室設置在兩個裝有電極的純水腔室之間，3個腔室通過離子膜分隔。Biswal說，鋰離子在通電后最終會集中在其中一個純水腔室中，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。

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

相關論文信息：

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

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