崔屹，Nature Water！
米测MeLab
2024-10-28
研究背景
锂（Li）是一种关键的能源材料，因其广泛应用于电动汽车、电池储能等领域而备受关注。与传统的锂提取技术相比，直接从盐湖卤水和地热水等资源中提取锂具有更高的效率和灵活性。然而，传统的蒸发驱动法提锂过程缓慢，水资源浪费严重，且在低锂含量资源中的应用效果较差，这为锂供应链带来了巨大挑战。近日，斯坦福大学Yi Cui（崔屹）院士团队在“Nature Water”期刊上发表了题为“Spontaneous lithium extraction and enrichment from brine with net energy output driven by counter-ion gradients”的最新论文。该团队设计了一种基于Li选择性陶瓷膜与氯离子储存银电极的新型提锂系统，实现了在无外部电能输入的条件下进行自发的锂提取。利用供液和接收液中氯离子浓度差所产生的巨大渗透能作为驱动力，成功实现了从模拟卤水中提取锂，并伴随1.6Wh/molLi⁻¹的能量输出。实验结果表明，该系统在300小时的运行过程中保持了高达450的锂/镁选择性。此外，当卤水中氯离子浓度远高于锂离子浓度时，系统甚至可以实现自发富集。这一研究不仅显著提高了锂提取效率，还展示了通过离子分离过程进行能量收集的潜力，为低碳、可持续的资源提取提供了新的技术途径。
科学亮点
1. 实验首次利用Gibbs–Donnan效应进行锂自发提取，成功实现了从模拟盐水中提取锂，并同时产生了1.6Wh molLi⁻¹的能量输出。这一新颖的方法打破了传统锂提取过程需消耗能量的观念。2. 实验通过采用选择性LAGP陶瓷膜和氯化银电极对锂进行提取，在300小时的持续操作中，锂与镁的选择性高达450，接近单位法拉第效率。这一成果展示了在高浓度反离子（通常为氯离子）存在的情况下，锂的自发富集成为可能。3. 研究表明，锂提取过程中存在显著的热力学驱动力，其来源于进料和接收溶液中反离子的巨大浓度差。这一驱动力的量化描述与实验结果相符，为锂提取技术的发展提供了新的理论基础。4. 该研究的概念和原理不仅限于锂提取，还具有潜在的推广应用价值，可为其他离子分离过程提供启发，推动形成新的碳负资源提取领域，帮助应对全球对锂的日益增长需求。
图文解读
总结展望
总之，作者提出了由对离子梯度驱动的自发离子分离的概念。通过理论与实验，作者验证了这一机制不仅能够在锂/镁分离过程中产生能量，而且还显示出从盐水中自发富集锂的潜力。使用LAGP作为锂选择性膜，作者的原型装置在300小时的运行中保持了450的锂/镁选择性和接近单位的法拉第效率，同时输出1.6Wh/molLi的能量。本文中展示的原理为碳负面锂提取铺平了道路，这在以往并未被考虑。它还打开了隐藏在离子分离过程中的新能源源泉的门户，这可以大大降低回收各种有价值元素的能量成本。 Zhang, G., Li, Y., Guan, X. et al. Spontaneous lithium extraction and enrichment from brine with net energy output driven by counter-ion gradients. Nat Water (2024). https://doi.org/10.1038/s44221-024-00326-2
