AFM|受生物啟發的“鹽吸收-分泌”策略：太陽能蒸發驅動的鹽湖鹵水選擇性鋰提取

Part.1

研究背景

鋰作為現代儲能技術和電動汽車電池不可或缺的“白色黃金”，全球需求預計在2023至2050年間將激增八至十倍，這使得可持續的鋰資源開采成為能源轉型時代最緊迫的挑戰之一。盡管蘊藏了全球約70%鋰儲量的鹽湖鹵水是最具前景的替代源，但其中大量存在的鈉離子（Na+）和鎂離子（Mg2+）等競爭陽離子給高選擇性提鋰帶來了巨大障礙 。現有的直接提鋰技術（如吸附法、膜分離等）雖然在受控的實驗室環境中分離效果顯著，但在面對真實、多組分的天然鹵水時，往往難以維持穩定的工業運行和高選擇性，導致直接一步法合成電池級碳酸鋰（Li2CO3）面臨巨大技術斷層。

為了應對這一挑戰，界面太陽能驅動蒸發（ISDE）技術作為一種可持續的替代方案應運而生，它通過光熱轉換有效提升了鋰吸附容量，并加速了水分蒸發和離子傳輸動力學 。然而，ISDE提鋰走向實際規模化應用面臨著三大交織的瓶頸：一是快速蒸發導致鹽分在光熱表面沉積阻塞孔隙，嚴重降低蒸發效率；二是吸附過程固有的動力學限制制約了整體通量；三是在高濃度干擾離子共存時提鋰選擇性嚴重不足 。基于此，該研究受到耐鹽紅樹植物白骨壤（Avicennia marina）“鹽吸收-分泌”機制的啟發，設計了一種創新的太陽能蒸發系統，通過空間解耦架構將主動的鋰捕獲與共存鹽的結晶位點完全分離，從而突破了傳統光熱提鋰系統易結鹽堵塞、選擇性差的長期困境 。

相關工作以“Bioinspired Salt Absorption-Secretion Strategy Unlocking Solar Evaporation-Driven Selective Lithium Extraction From Salt-Lake Brines”為題，發布在發表在《Advanced Functional Materials》上。(JCR一區，中科院一區TOP，IF=18.5)上。

Part.2

研究數據

圖1.生物啟發式太陽能蒸發驅動鋰吸收系統。a)白骨壤的鹽分吸收-分泌過程的照片與示意圖。b)漂浮式太陽能驅動鋰提取裝置通過可控鹽結晶技術，展現出選擇性鋰提取與離子分離的雙重功能。c)照片展示E1裝置的結構配置。d)E1裝置內部結構的橫截面照片。e)和f)分別為E1裝置在低倍率和高倍率下的SEM橫截面圖像。g) E1橫截面鈦元素分布圖譜。h) PVA@CB@纖維素@HTO層的太陽光吸收特性。i)太陽能蒸發過程中E1裝置的熱分布模擬示意圖。

圖2.三種太陽能蒸發器的結構設計與在鹽水中的蒸發性能對比。a-c)三種蒸發器配置示意圖。d-f)不同蒸發器處理模擬鹽水時的蒸發速率隨時間變化曲線。插圖展示太陽能蒸發過程中鹽分分布的照片。g) E1型蒸發器在不同光照角度下的蒸發速率對比。插圖呈現E1型蒸發器的紅外圖像。h)不同Mg2+/Li+比值（鹽度50 g/L）條件；i)不同鹽度（Mg2+/Li+比值50）條件下E1型蒸發器在不同鹽度模擬鹽水中的蒸發速率對比。誤差線表示平均值±標準差（n=3）。

圖3.蒸發器的鋰吸附性能及可回收性。a) E1、E2和E3處理模擬鹽湖鹵水(瑪爾蓋茶卡鹽湖)時的鋰吸附動力學曲線。b)分離因子對比。c) E1、E2和E3收集到的結晶鹽粉末的組成分析。誤差棒表示平均值±標準差(n=3)。d) E1、E2和E3中離子擴散的模擬結果。e)隨著水蒸發，E1中離子濃度隨時間的變化。f) E1在不同鹽度（Mg2+/Li+比=50）下的鋰吸附容量和Li/Mg選擇性。g) E1在不同Mg2+/Li+比（鹽度50 g/L）下的鋰吸附容量和Li/Mg選擇性。h) E1在40個循環中的長期循環穩定性（鋰吸附量、脫附率和選擇性）。

圖4.戶外性能評估。a) E1系統用于太陽能蒸發驅動鹽湖鹵水提鋰的工藝流程示意圖。b)戶外實驗照片，展示了由多個E1單元串聯封裝于冷凝器內的可擴展原型。c)戶外測試中E1的鋰吸附量，插圖為實驗前后E1的照片。d)戶外測試中E1在鹽湖鹵水中的鋰吸附容量和分離因子。e)連續7天戶外測試的鋰吸附量。f) E1處理三種真實鹽湖鹵水時的鋰吸附性能。g)靜態和動態狀態下的脫附動力學曲線。h)所得Li2CO3粉末的XRD圖譜，插圖為Li?CO?粉末的實物照片。

Part.3

研究結論

本研究成功開發了一種受紅樹植物啟發的空間解耦光熱蒸發提鋰系統（E1），該系統通過多通道水路徑將球形核心的主動鋰捕獲與邊緣處的共存鹽結晶完全分離，徹底解決了傳統光熱提鋰系統易結鹽堵塞的痛點。在實際高鹽度鹵水運行中，該系統能夠保持 3.28 kg m-2h-1 的高效穩定蒸發率，并憑借光熱強化效應實現了 29.4 mg/g的高吸附容量 ，在天然鹵水現場試驗中展現出遠超傳統設備的離子選擇性。此外，該封閉循環系統歷經 40 次操作循環仍能保持 92.9% 的資源回收效率 ，能一步直接從天然鹵水中制備出純度大于 99.7% 的電池級碳酸鋰（Li?CO?），且其綜合生產成本不到市場價格的一半，為未來可持續開采鋰資源以及海水中鈾提取、廢水中稀土元素回收等極具挑戰性的分離場景提供了通用的、兼具高經濟效益的顛覆性技術平臺 。

Part.4

DOI：10.1002/adfm.75707

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