前沿 | 绿锂: 太阳能海水提锂

研究背景

      近年来，随着全球对可再生能源和高效能源存储技术的日益关注，锂（Li）已迅速崭露头角，成为重要的战略性资源。特别是在电动汽车和高性能电池领域，对锂的需求正在急剧增加。据估计，到2050年，仅电动汽车就将消耗全球四分之一的锂储备。这种对锂的巨大需求引发了对未来锂供应安全性的担忧。

      传统的锂开采方法，如从矿石中提取或从盐湖中蒸发，不仅需要长时间，而且需要大量的能源和试剂消耗。这导致了成本的增加和环境的污染。此外，陆地上的锂资源分布不均，某些国家或地区可能面临锂供应短缺的风险。因此，寻找新的、可持续的锂来源成为了紧迫的任务。

      幸运的是，海洋作为一个巨大的锂库为我们提供了新的机会。尽管海水中的锂浓度（0.1-0.2 ppm）远低于其他离子，但其总储量是陆地储备的四个数量级以上，达到约2300亿吨。这为大多数国家提供了一个无限和直接开采锂资源的选择，从而克服了地理位置的限制。但是，从海水中提取锂的技术挑战仍然很大。目前的技术仍然依赖化石燃料，仍然面临能源短缺和环境污染问题。因此，开发一种既经济又环保的海水中锂提取技术已成为当务之急。

论文导读

      在面临21世纪的能源和环境挑战时，锂资源显得尤为关键，尤其在电池和其他先进技术中占据着不可替代的地位。随着对锂的需求急剧增加，其传统资源却日渐减少，我们转向海洋——这个地球上最庞大的“矿藏”，寻求新的锂源。何志浩教授团队与KAUST的赖志平教授及黄国维教授联手，针对海水中的锂——其储量是陆地上锂矿的几千倍——提出了一个创新的提取方法。该团队巧妙地结合了光电化学（PEC）技术和特殊的陶瓷基膜提取工艺，不仅成功从海水中连续高效提取出高纯度的“绿锂”，而且在提取过程中实现了能源的双重利用——同时产生氢气这一清洁能源。这篇文章深入探讨了这一创新技术的工作机制、技术突破及实验结果，并探讨了其潜在的应用和未来发展方向，未来的能源解决方案、绿色科技以及海水资源的利用提供有益的见解和启示。该文以“Green lithium: photoelectrochemical extraction”为题发表于PhotoniX。

主要研究内容

      香港城市大学何志浩教授团队与KAUST赖志平教授与黄国维教授合作，致力于开发一种从海水中高效提取锂的新方法。为此，该团队采用了光电化学（PEC）技术，这种技术结合了太阳能收集和电化学过程，可以直接将太阳能直接存储为化学能。基于III-V族半导体的三结（3J）光阳极提供了高达2.47 V开路电压，这一特点使其成为驱动锂提取过程的理想选择。同时为克服III-V族半导体在海水中的光腐蚀，采取了光、电解耦的PEC制备方案，该方案将传统PEC向光面的光吸收和电解功能巧妙剥离，通过在向光面沉积栅极银线优化其吸光性能并提高电子收集效率，同时在背面引入强效保护层和催化层有效隔离III-V族半导体材料与电解液的直接接触。该解耦方案保证了PEC海水中的长期稳定运行（>840小时）。

      为了确保从海水中高效、选择性地提取锂，该团队采用了一种特殊的陶瓷基膜提取工艺。这种膜可以高效地选择性地传递锂离子，同时阻挡其他离子，确保了锂的高纯度提取。在提取过程中，通过电化学设计，使其在提取锂的同时还能产生氢气，这是一种有价值的清洁能源，实现了能源和资源的双重利用。

      此外，该团队还对整个提取过程进行了详细的分析和评估，包括锂的提取效率、系统的稳定性、以及与其他提取技术的比较，确保了我们的方法在实际应用中的竞争力和可行性。实验证明，在仅有太阳光的照射下，首次成功将海水中的锂子富集4,350倍（即从0.18ppm到783.56ppm）。太阳能提锂效率可达到2.08mg kJ^-1，同时拥有3.56%的太阳能制氢效率。

技术突破

• 光电化学（PEC）技术的引入：

      传统的海水提锂技术通常依赖于大量的化学试剂和能源密集型的过程。本研究首次将光电化学技术引入到海水提锂过程中，使得整个提取过程可以直接利用太阳能，大大减少了能源消耗和环境污染。

• 高效的III-V族三结（3J）光阳极设计：

      为了满足锂提取所需的高电压，该团队设计了一个特殊的三结光阳极，其开路电压高达2.47 V。这种设计不仅提供了足够的电压来驱动锂的提取，还确保了阳极在长时间运行中的稳定性。

• 创新的解耦方案：

      为了提高系统的稳定性和效率，我们采用了一种创新的解耦方案，将光收集和电解过程在空间上分离。这种设计不仅提高了光收集的效率，还确保了电解过程的稳定性。

• 陶瓷基膜提取工艺：

      与传统的提锂方法相比，该团队采用的陶瓷基膜提取工艺具有更高的锂选择性和连续性。这种膜可以有效地从海水中提取锂，同时阻挡其他离子，确保了锂的高纯度提取。

• 双重能源和资源利用：

      除了从海水中提取锂，该系统还可以在提取过程中产生氢气。这意味着，此方案不仅为电池产业提供了宝贵的锂资源，还为能源产业提供了清洁的氢气。

• 扩展性：

      我们的技术不仅适用于海水提锂，还可以用于其他含锂水体，如废旧锂电池的回收，为锂资源的循环利用提供了新的可能性。

      总的来说，本研究提供了一种高效、环保、可持续的海水提锂新方法，为未来的锂资源供应和能源产业提供了新的解决方案。

观点评述

      缺锂问题在2030年后恐阻碍电动汽车产业发展。借助可再生能源源源不断地从大自然中提取锂元素，何志浩课题组为当前的锂资源危机和环境问题探寻出一条高效的解决之道。在此次研究中，首次提出并成功制备了一款基于 III-V 族半导体的 PEC 电池和锂离子选择性膜的自主型海水提锂装置。这款 PEC 电池的设计采用光电解耦合方案，在海水中实现了超过 840 小时的稳定运行。经过三个连续提取阶段，成功将锂离子从基础海水浓度的 0.18 ppm 提升至 783.56 ppm。为了在未来进一步优化这一系统，应当整合高活性助催化剂，精进高稳定性锂离子选择膜的制造工艺，并探索更紧凑的装置布局。在全球关注碳排放降低和锂资源供应稳定的大背景下，绿色提锂技术对于储能系统显得尤为重要。何志浩课题组解决了锂矿原材料资源这一环节，为电动汽车产业发展摆脱被卡脖子的隐患。同時，也为循环经济和零碳经济的建立迈出了关键的一步。

主要作者

      李忠效，自2020年起在香港城市大学材料科学与工程系攻读博士学位，师从何志浩教授。他毕业于天津大学，先后获得材料科学与工程的学士和硕士学位。目前，他的研究主要集中在光电化学器件的设计制备，以及其在海水提锂与太阳能燃料生产系统中的应用。

      何志浩（Jr-Hau He）教授是香港城市大学材料科学与工程系教授。他是光电子和材料领域一位有影响力的科学家。他为理解光与物质的相互作用做出了重大贡献，这反映了他在光捕获设备上的光子管理方面取得的成就。他开发的纳米技术不断转移到世界各地的能源和发光二极管行业。他被选为高被引研究人员（2020-2022 年，Clarivate 的 Web of Science）。

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• PhotoniX 已被SCI、EI、SCOPUS、DOAJ、ProQuest、CNKI、INSPEC、Dimensions等10多个数据库收录。2022年6月获得首个影响因子19.818，位列Q1区。同时进入《2022年中国科学院文献情报中心期刊分区表》，位列物理与天体物理大类和光学小类双一区，为Top期刊。中国科协首次颁布“光学工程和光学领域高质量期刊目录”PhotoniX 位列T1级。
  

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