南京大学,又一篇Nature Communications!

第一作者：王义钢

通讯作者：周豪慎、何平

通讯单位：南京大学

论文DOI：10.1038/s41467-026-72464-y（点击文末「阅读原文」，直达链接）

2026年5月2日，南京大学周豪慎、何平团队在Nature Communications期刊发表题为Energy-Efficient Seawater Lithium Extraction via a Reversible Redox-Hydrogen Coupled System的研究论文，团队成员王义钢为论文第一作者，周豪慎、何平为论文共同通讯作者。

一、研究背景

海水中蕴藏着巨量锂资源，但锂离子浓度极低，仅约0.17–0.18 mg L⁻¹，同时存在大量Na⁺、Mg²⁺、K⁺、Ca²⁺等竞争离子，尤其是高Mg/Li比严重阻碍锂的直接提取。

传统电化学海水提锂通常需要阳极发生析氧或析氯反应来维持电流，但这些阳极反应不仅能耗高，而且产物能量价值低，导致整体能量利用效率不理想。

二、核心创新

作者用可逆Ni(OH)₂/NiOOH氧化还原电极替代传统阳极海水电解反应。在提锂过程中，Ni(OH)₂被氧化为NiOOH，将原本会消耗在析氧或析氯上的电能转化为可存储的化学能。

与此同时，阴极采用NiS₂/MoS₂催化剂促进析氢反应，降低阴极过电位，并在提锂过程中同步产生氢气。这样，体系不再只是单纯“耗电提锂”，而是实现了“提锂、储能、产氢”三者耦合。

三、体系设计

该装置由海水进料侧、锂富集回收侧、LAGP锂离子筛膜、NiS₂/MoS₂析氢阴极和Ni(OH)₂/MWCNTs氧化还原阳极组成。

在电场作用下，Li⁺选择性穿过LAGP膜进入回收液；阴极析氢反应产生OH⁻，提高局部pH，使Mg²⁺和Ca²⁺以氢氧化物形式沉淀，从而显著降低Mg/Li比。阳极侧Ni(OH)₂则被氧化为NiOOH，储存电能。后续NiOOH可与Zn构成Zn-NiOOH电池，实现能量释放和电极再生。

四、关键性能

该体系可将原始海水中0.183 mg L⁻¹的Li⁺浓度提升至306.2 mg L⁻¹，实现超过三个数量级的富集。

同时，Mg/Li质量比从6615.4降至4.9 × 10⁻⁴，降低了约七个数量级，Li⁺/Mg²⁺分离因子达到1.35 × 10⁷，显著优于多种已报道锂提取体系。

进一步通过蒸发浓缩和Na₂CO₃沉淀，作者获得了Li₂CO₃固体，纯度达到99.6 wt%。

五、能量优势

在1 mA cm⁻²条件下，体系总能耗中约66.5%被存储于氢气和Ni(OH)₂/NiOOH氧化还原对中，真正用于锂迁移和富集的净能耗仅为6.40 Wh g⁻¹ Li。

此外，每提取1 g锂可联产约807 mL氢气。相比传统电化学提锂体系，该策略将副反应能耗转化为可利用能源，大幅提高了能量利用效率。

六、图文解读

图1展示了可逆氧化还原-析氢耦合海水提锂体系的整体概念。Li⁺在电场驱动下通过LAGP膜进入回收液，阴极析氢提高pH并去除Mg²⁺，阳极Ni(OH)₂被氧化为NiOOH储存能量，随后可通过Zn-NiOOH电池释放能量。

图2展示了海水提锂装置和LAGP膜性能。装置由进料罐、回收罐、电解槽和循环泵组成。LAGP膜具有致密结构和NASICON晶相，在海水中保持较好离子电导稳定性。电流密度优化后，1.0 mA cm⁻²表现出较优Li⁺通量和Mg/Li降低效果。

图3展示了海水中锂的富集和Li₂CO₃产物获得。经过48 h连续运行，回收液中Li⁺浓度升至306.2 mg L⁻¹，Mg/Li比显著下降。进一步沉淀得到Li₂CO₃，XRD证实其晶相，ICP结果显示产物纯度达到99.6 wt%。

图4展示了析氢效率和Ni(OH)₂/NiOOH可逆转化。NiS₂/MoS₂催化剂表现出优于单一NiS₂或MoS₂的析氢性能。2 h电解产生36.37 μmol H₂，接近理论值，法拉第效率约97.5%。Raman结果证明Ni(OH)₂和NiOOH之间可逆转化，Zn-NiOOH电池还可点亮LED，说明储存能量可以释放利用。

图5展示了该体系的能量分配与分离优势约66.5%的输入电能被储存在氢气和Ni(OH)₂/NiOOH氧化还原对中，净提锂能耗仅为6.40 Wh g⁻¹ Li。与已报道体系相比，该方法在Li⁺/Mg²⁺选择性方面表现突出，可将海水直接升级为高品位富锂溶液。

七、研究意义

这项工作突破了传统海水提锂中“低浓度、高Mg/Li、高能耗”的核心瓶颈。其关键不只是实现锂离子富集，而是将提锂过程中的阳极能量损失转化为可恢复的电化学储能，同时在阴极联产氢气。

该策略为海水锂资源开发提供了一种更可持续的路径，也为电化学资源提取系统的能量重构提供了新的设计思路。