锂矿开采是一项高度能源密集型的活动，并对环境产生了显著的负面影响。这主要是由于锂通常微量存在于盐水中，并与其他理化性质相似的阳离子混合在一起，使得其分离过程极为复杂且耗费资源。受自然界选择性提取物质的蒸腾作用启发，南京大学朱嘉教授和美国加州大学伯克利分校米宝霞教授团队开发了一种由太阳能蒸腾驱动的锂提取与储存（STLES）装置，该装置可以利用自然光从盐水中提取和储存锂。具体而言，该装置利用具有分层结构的太阳能蒸腾器产生压力梯度，使锂能够通过膜从盐水中分离，并储存在管状的储存层中。通过长期实验、各项膜测试以及对装置不同尺寸的评估，均验证了STLES的稳定性、兼容性和可扩展性。这种太阳能驱动的提取技术为可持续开采关键资源提供了一种切实可行的替代方案。
随着通过可再生技术回收锂资源的需要不断增加，确保锂的开采过程兼具环境和社会责任对于实现可持续发展未来至关重要。目前，锂主要通过两种方式获取：一种是通过热化学方法从硬岩矿石中提取，另一种是通过蒸发过程从盐水中提取。目前有87%的锂矿设施采用蒸发法，但这种方法反应速率有限，水资源消耗巨大，且仅适用于高浓度的盐水。开发从多种盐水中提取锂的可再生技术对于确保清洁可靠的锂供应至关重要。在自然界中，许多生命系统进化出有效提取特定物质的能力。特别是盐生植物，它们在盐碱环境中生长，并通过一种“提取-储存-释放”（ESR）机制从高盐度的土壤或水中摄取养分而不受伤害。盐生植物与其他植物一样，通过蒸腾作用提取养分，但它们还拥有特殊的器官，用于储存和排出体内多余的盐分。这种额外的盐储存和释放机制对于它们在高盐环境中的生存至关重要，否则它们将因盐分累积引发的脱水而死亡。受这一机制的启发，作者开发了一种太阳能蒸腾驱动的锂提取与储存装置，旨在实现更加环保的锂开采。其主要工作原理为：(i) 通过太阳能蒸腾作用，在蒸发器中产生高毛细管压力；(ii) 该压力传递至膜，促使锂离子从盐水中流向锂储存层；(iii) 水循环系统将提取的锂运输至储存层，同时对装置进行循环再生。作者开发了一种被动的浮动式STLES装置，该装置由高压（18 bar）且高通量（1.8 L/m³·h）的太阳能蒸腾器（铝基分层膜）、锂储存层（尺寸可控的熔融石英滤片）以及纳滤膜组成。STLES利用自然光从盐水中提取和储存锂，无需占用土地或额外投入能源。为了实现高效且稳定的太阳能蒸腾驱动锂提取，需要满足一系列严格的要求。- 首先，由毛细作用在蒸发器内被动产生的蒸腾压力（Ptrans）必须超过纳滤（NF）的工作压力。根据杨-拉普拉斯方程，Ptrans = 4 γcosθ/dp，其中γ为水的表面张力，θ为水在蒸发器表面的接触角，dp为蒸发器的孔径。考虑到NF通常在5至20 bar下运行，蒸腾蒸发器必须具有亲水性（θ约为60 °）并且孔径为纳米级（dp < 288 nm）。
- 其次，蒸发器必须产生高蒸腾通量，以实现高锂生产率。理论分析表明，蒸腾通量J对θ和dp有一定相关性，但主要受蒸发器温度的控制。当温度从300 K增加到350 K时，通量增加了30倍（从0.05 L/m3·h增加到1.45 L/m3·h）。在这方面，界面太阳能驱动的蒸发器是理想的选择，因为它可以利用太阳能以高光热转换效率（>90%）来加速蒸腾。
- 最后，锂储存层必须能够抵抗空化和盐沉积，以实现稳定的锂提取。需要比气泡核的临界尺寸（DC ≈ 4 γPtrans）更小的狭窄通道来防止气泡引发的空化效应，并且需要高孔隙率来容纳提取的盐。
分层结构对于利用太阳能实现高通量蒸腾至关重要。如图1所示，该结构由随机分布且不同尺寸的铝纳米粒子（5到60 nm）、铝膜（约100 nm）和纳米多孔阳极氧化铝（AAO）基质组成。由于增强的宽带吸收和强非辐射等离子体衰减效应，这种混合结构可实现高效且局部的光热转化 。因此，与传统的非光热蒸发器相比，我们的太阳能蒸腾蒸发器（图2）表现出更高的太阳光吸收率（97%）、更高的温度（在一倍太阳光照射下354 K对比320 K）以及更高的蒸腾通量（在一倍太阳光照射下1.28 L/m·h对比0.59 L/m·h）。STLES中的锂储存层在以下方面至关重要：(i) 在蒸发器和膜之间传递水和压力；(ii) 提供机械支撑；(iii) 储存提取的锂盐。为了确保稳定的锂提取，储存层需要能够抵抗空化和阻塞。一方面，蒸腾引起的张力使储存层中的水处于亚稳态，使其易受空化效应的影响，导致局部水输送被气泡阻塞。另一方面，提取的盐可能在储存层或蒸发器上累积，减缓甚至阻碍蒸腾作用。STLES使用陶瓷滤片作为锂储存层。它由均匀的渗透通道组成，通过放电等离子体烧结将单分散的二氧化硅微球融合在一起制成（图2）。这种基于微球的锂储存层具有四个显著特点。第一，它的通道尺寸l完全由前驱体微球的直径决定（l ≈
dsphere/4），通过选择适当的dsphere，可以将其精确控制在纳米到微米范围内。STLES选择了直径为700 nm的二氧化硅球作为前驱体，预期通道尺寸为150 nm。通过压泵法证实，制成的储存层孔径为151 nm，小于DC（Ptrans= 18.5 bar时为160 nm），从而有效降低了空化风险。第二，它由互连的孔隙网络组成，允许水通过渗透通道流动，防止阻塞。即使提取的盐阻塞了部分水路，水仍可以通过未阻塞的相邻通道继续流动。第三，储存层孔隙率约为45%，孔径为151 nm，足以容纳提取的盐。第四，储存层由熔融二氧化硅陶瓷制成，与盐的相互作用较弱，便于通过水洗再生。同时，STLES中的水流稳定性良好，作者在500和1000 W/m²的照射条件下连续进行了50 h的蒸腾测试，分别模拟了阴天和晴天。测试期间，蒸腾通量没有明显下降，表明其具有出色的工作稳定性（图2）。基于上述设计，研究团队开发了一个概念验证的STLES平台（图3），该平台由一组模块构成，每个模块包含八层结构。研究测试了多种类型的盐水，因为锂提取的性能显著受盐水化学成分的影响，特别是盐度、镁离子与锂离子的质量比（MLR）。STLES的锂提取性能通过两个关键指标进行评估：锂渗透率（即锂提取的速度）和锂选择性（即锂纯度的提升程度）。为了进一步探讨STLES的可行性，研究团队将其应用于中国三大盐湖的稀释盐水。这些盐水(盐度为1 g/L)中含有多种离子，如锂（Li+）、钠（Na+）、钾（K+）、镁（Mg²⁺）、钙（Ca²⁺）、氯（Cl⁻）、硫酸根（SO₄²⁻）等，这些离子会对锂的提取产生显著影响。图3表明，STLES能够成功从盐水中提取锂，且提取的选择性取决于盐水的成分，该结果证实了STLES在实际盐水中对锂的选择提取能力。除了材料的改进，STLES的性能还可以通过系统设计进行增强。如图4所示，多个STLES串联连接，其中前一阶段的渗透液作为下一阶段的进料。作者探究了这一多级锂提取系统的可行性和性能，以处理盐度为1.0 g/L、MLR为422的LiCl和MgCl2混合物。随着锂提取阶段的增加，盐水的MLR逐渐降低。经过四个提取阶段后，MLR从422降低至2.5，对应的锂选择性（SLi）为168，约高于单级提取（SLi为2.3至5.9；图3D）的两个数量级。锂选择性与阶段数之间的超线性指数关系表明，我们的方法在过程工程方面（例如多级提取）还有进一步改善锂提取性能的空间。模块化配置使得多个STLES的组合成为可能，从而创建一个能够大规模提取锂的大平台。为了演示可扩展性，研究团队测试了包含1、4、9和16个模块的四个STLES平台。在测试中，STLES首先放置在盐度为1.0 g/L、MLR为80的LiCl-MgCl2盐水中进行锂提取。24 小时后，取出STLES，并通过水循环收集提取的锂盐。独立的STLES在环境户外条件下能够从3 mgLi/L的盐水中生产33.2 mgLi/m²·d——平均太阳辐照度、温度和相对湿度分别为240 W/m²、28.9 °C和65%。STLES平台的锂生产率与所采用模块数量呈线性关系，突显了STLES的出色可扩展性。本研究详细介绍了STLES设备的设计与应用，该设备利用自然光在常温条件下从盐水中提取锂，无需占用土地且几乎不产生温室气体。相较于当前和新兴的锂提取方法，STLES具有多个显著优势。首先，一旦安装，该设备以被动方式运行，实现了成本、能源和碳排放的有效控制。其次，STLES能够与现有的蒸发池无缝集成，而蒸发池在87%的锂矿开采设施中使用，这降低了安装成本。第三，该设备能够漂浮在盐水上，从而减少对土地的占用。最后，预计在STLES中使用高压蒸发器将有助于处理高盐浓度盐水，其渗透压可高达400 bar，远高于当前膜过滤系统的压力限制（80 bar），具有五倍的优势。
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