Новый метод Чикагского университета позволяет извлекать литий чистотой 99%

Репортаж от Wedoany，Исследователи из Школы молекулярной инженерии им. Притцкера Чикагского университета (University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering) разработали новый метод, позволяющий селективно извлекать литий чистотой 99% из раствора с соотношением натрия и лития 1000:1. Этот метод основан на процессе электрохимической интеркаляции (electrochemical intercalation), который широко применяется в области батарей и суперконденсаторов, и заключается во внедрении ионов в слоистую структуру другого материала под действием электрического тока.

При использовании данной технологии для извлечения материалов из воды формируется принудительный питающий фильтр, который с помощью электрического тока притягивает положительно заряженные ионы лития через микроскопические каналы. Однако эти каналы, пропуская ионы лития, также вмещают и другие ионы, включая натрий. Исследовательская группа обнаружила, что прохождение ионов лития через ионные каналы слоистого материала (в данном исследовании — оксида кобальта) контролируется взаимодействием двух сил — толкающей и тянущей. Это открытие представляет собой не только прогресс в чистой науке, но и указывает путь к разработке новых практических технологий извлечения.

Первый автор статьи, доктор Грант Хилл (Grant Hill, выпуск 2024 года), бывший аспирант PME Чикагского университета, отметил, что цель команды — разработать материалы, способные селективно отделять литий от других солей. Основной конкурент — натрий — чрезвычайно схож с литием по заряду и размеру, что делает их химические свойства очень близкими. Литий является ключевым материалом для аккумуляторной промышленности, однако современные основные методы его извлечения, такие как плавка обожжённого сподумена с использованием большого количества кислоты или строительство огромных соляных бассейнов для откачки и выпаривания подземных рассолов, недостаточно экологичны.

Доцент PME Чикагского университета, автор-корреспондент исследования Чун Лю (Chong Liu) указал, что в процессе извлечения всегда протекают две параллельные реакции: одна, обусловленная зарядом, происходит при подаче тока в материал; другая — естественное стремление материала к равновесию. Хилл сравнил ионные каналы с автострадой, окружённой парковками: когда вставляются ионы натрия, они сжимают соседние литиевые участки, заполняя «парковку» в литий-фильных зонах. Чтобы преодолеть эту проблему, исследователям необходимо оптимизировать размер частиц лития и найти баланс между двумя конкурирующими реакциями. Первая из этих реакций — процесс интеркаляции, движимый электрическим током (то есть движение по автостраде), а вторая — процесс ионного обмена, при котором ионы натрия и лития стремятся к равновесию (то есть скорость заполнения парковки ионами).

Исследование показало, что процесс равновесия происходит с собственной скоростью, но исследователи могут контролировать скорость накачки ионов. Это означает, что «скорость» первой реакции можно задать одним из трёх вариантов: быстрее, медленнее или одинаково со второй реакцией. Чун Лю отметил, что эти три состояния ведут себя совершенно по-разному, и только при предоставлении достаточного времени для того, чтобы ионный обмен догнал интеркаляцию, можно получить высокообратимый отклик материала. Исследование выявило, что медленное внедрение ионов и нахождение идеального размера частиц являются ключом к достижению такой обратимости.