南京大學(xué)朱嘉教授、陳駿院士與合作者在鹽湖鋰資源綠色開發(fā)領(lǐng)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(jī)制，成功開發(fā)界面光熱鹽湖提鋰技術(shù)。該技術(shù)利用界面光熱蒸騰效應(yīng)，強(qiáng)化納米通道傳質(zhì)并驅(qū)動高精度離子分離，實現(xiàn)了高選擇性、低能耗、低碳排放的太陽能鹽湖提鋰。這一技術(shù)有望推動我國青藏鹽湖鋰資源的綠色開發(fā)，減少對進(jìn)口鋰礦的依賴，保障戰(zhàn)略性關(guān)鍵金屬鋰的安全供給。相關(guān)研究成果以“Solar transpiration-powered lithium extraction and storage”為題，于2024年9月27日發(fā)表于Science期刊。

　　鋰作為全球能源轉(zhuǎn)型中的戰(zhàn)略性關(guān)鍵金屬，廣泛應(yīng)用于電動汽車電池和可再生能源儲能系統(tǒng)。鹽湖型鋰礦是全球鋰資源的重要來源，以我國為例，青藏高原擁有極其豐富的鹽湖資源蘊藏著巨大的鋰礦儲量。然而，由于復(fù)雜的鹽湖化學(xué)條件和極高的環(huán)境保護(hù)要求，至今難以大規(guī)模開采利用，成為我國鋰礦開采的“卡脖子”難題。因此，發(fā)展綠色、環(huán)保、可持續(xù)的鹽湖提鋰新技術(shù)，是破解這一難題的關(guān)鍵，具有重要的經(jīng)濟(jì)社會價值和戰(zhàn)略意義。

　　自然界中的許多生命系統(tǒng)，例如鹽生植物，具備高效提取特定物質(zhì)的能力。鹽生植物能夠利用蒸騰作用，從鹽堿環(huán)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(nèi)多余的鹽分。這種“選擇性吸收-儲存-釋放”機(jī)制，使鹽生植物能夠在極端鹽堿環(huán)境中維持正常的新陳代謝和生長，也為開發(fā)高效、可持續(xù)的鹽湖鋰資源提取技術(shù)提供了重要的仿生學(xué)啟示。

　　受此啟發(fā)，南京大學(xué)研究團(tuán)隊成功開發(fā)了界面光熱鹽湖提鋰裝置(STLES)。其結(jié)構(gòu)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(fā)器納米通道(圖1C)內(nèi)產(chǎn)生超高毛細(xì)壓強(qiáng);(2)該毛細(xì)壓強(qiáng)傳遞至離子分離層(圖1E)，驅(qū)動鋰離子選擇性從鹽水進(jìn)入儲存層;(3)通過水循環(huán)系統(tǒng)收集儲存層(圖1D)中富集的鋰鹽，并實現(xiàn)裝置再生。

圖1 界面光熱鹽湖提鋰的運行機(jī)制和器件組成

　　研究團(tuán)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(jìn)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(jié)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(xù)運行中表現(xiàn)出了優(yōu)異的穩(wěn)定性(圖2G)，從而展示了其在長期應(yīng)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(kuò)展性。通過優(yōu)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(shè)計賦予該系統(tǒng)良好的擴(kuò)展能力，鋰產(chǎn)量隨模塊數(shù)量線性增長，充分展示了其在大規(guī)模應(yīng)用中的潛力。

圖2 界面光熱鹽湖提鋰的性能和穩(wěn)定性

　　界面光熱鹽湖提鋰技術(shù)充分利用清潔、充沛的太陽能，有效提取鹽湖中的關(guān)鍵鋰資源。這項關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)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(jìn)口的局面。

　　南京大學(xué)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(xué)朱嘉教授與加州大學(xué)米寶霞教授為論文共同通訊作者，陳駿院士對該工作進(jìn)行了深入指導(dǎo)。該工作得到了南京大學(xué)徐凝副教授、美國加州大學(xué)王墨農(nóng)博士等的支持;也得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部重點研發(fā)計劃、新基石科學(xué)基金會科學(xué)探索獎等項目的資助;南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點實驗室、關(guān)鍵地球物質(zhì)循環(huán)教育部前沿科學(xué)中心和人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心對該項研究工作給予了重要支持。