吸附响应型仿生光热离子泵实现可逆海水提锂新突破

本研究针对海水锂提取中高Na+/Li+比率、锂离子筛（LIS）颗粒化后性能衰减及锰溶解损失等关键问题，开发了一种合欢树启发的吸附响应型光热离子泵（APIP）。通过原位交联和离子交换策略将氢锰氧化物（HMO）均匀限域于互穿网络水凝胶中，实现了34 mg g-1 HMO的锂提取容量（超越粉末状HMO），太阳能驱动下动力学提升2.9倍，同时有效抑制锰溶解。该技术为可持续海水锂资源开发提供了新范式。

　　

随着可再生能源技术和电动汽车产业的迅猛发展，全球锂资源需求呈现爆发式增长。据预测，到2050年仅电动汽车领域就需要1,800万吨锂，而目前经济可行的陆地锂储量仅1.15亿吨，巨大的供需缺口迫使人们将目光投向蕴藏2,300亿吨锂的海水宝库。然而，海水中极低的锂浓度（<0.2 mg L^-1）和高钠锂比（约19,000:1）构成了巨大挑战。现有吸附法使用的锂离子筛（LIS）材料在颗粒化过程中会出现吸附性能下降和锰溶解损失问题，且传统吸附技术依赖外部能源输入，能效较低。

受到合欢树这种超富集植物的启发——它能够通过 specialized 离子泵和蒸腾作用从土壤中特异性吸收金属离子，其花朵在光照下绽放的行为更提供了光热响应灵感——研究团队开发了一种吸附响应型仿生光热离子泵（APIP）。这项发表于《Nature Communications》的研究通过模仿自然界的离子富集机制，实现了太阳能驱动的可持续海水锂提取。

研究采用原位交联与离子交换相结合的技术策略：首先将锂锰氧化物（LMO）均匀嵌入聚丙烯酰胺-聚乙烯醇互穿网络水凝胶（PPH），再通过酸处理转化为氢锰氧化物（HMO@PPH）。利用密度泛函理论（DFT）计算材料结合能，通过COMSOL多物理场仿真模拟离子传输过程，并采用户外实地试验验证系统在真实海洋环境下的性能。所有锂浓度数据均通过电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）精确测定。

制备与表征

通过创新性的原位交联策略成功将HMO纳米颗粒均匀限域在三维水凝胶网络中。X射线衍射（XRD）证实了LMO向HMO的晶体结构转变，能量色散X射线光谱（EDX） mapping显示元素分布均匀。水接触角测试显示材料具有良好亲水性（40.8°），紫外-可见-近红外光谱显示在全光谱范围内吸收率超过90%，蒸发焓测定表明其具有低于纯水的蒸发能耗（1.46 MJ kg^-1）。

太阳能驱动锂提取性能

APIP在1 sun光照下蒸发速率达2.22 kg m^-2 h^-1，超越传统热力学极限。光照使锂提取动力学提升2.9倍，增强因子（EF）随光强增加而升高（1.5 sun时达4.6）。在真实海水环境中，APIP在渤海湾表现出最高提取容量（32.6 mg g^-1 HMO），经过7次循环仍保持稳定性能。户外实验证实其日水产量达6.6 kg m^-2，同时实现6.7 mg g^-1 HMO的锂提取量。

锂提取增强机制

均匀分散的HMO提供了更多活性位点；吸附响应性溶胀行为使材料在锂提取过程中体积膨胀，进一步暴露吸附位点；低自由水特性和聚合物链对Mn²⁺的选择性螯合作用有效抑制了锰溶解（XPS证实Mn⁴⁺/Mn³⁺比率提高）；太阳能蒸发产生的对流效应和局部浓度场增强了离子传输效率。COMSOL仿真显示在蒸发界面处理论增强因子（TEF）可达7。

该研究成功突破了粉末状锂离子筛在实际应用中的关键限制，通过仿生设计实现了吸附容量、动力学稳定性和能源效率的协同提升。APIP技术在多种盐水环境（包括盐湖）中展现出良好适应性，对高镁锂比水体仍保持超过70%的锂选择性和低于2.4%的镁共提取率。与电化学法（Ele-Li）、膜分离法（Mem-Li）等现有技术相比，APIP在能源消耗和高钠锂比适应性方面具有显著优势，为零能耗海水提锂提供了可行路径。

这项研究不仅推动了海水锂提取技术的发展，更为界面蒸发技术的多功能化应用开辟了新方向——通过Route I（直接海水处理）、Route II（浓海水处理）、Route III（太阳能结晶池）和Route IV（铀提取耦合）等多条路径，实现了水资源、锂资源和其他高价值元素的协同回收，为可持续发展目标提供了综合性解决方案。