В своем исследовании, опубликованном в Science Advances, исследователи продемонстрировали почти идеальную селективность по литию, повторно использовав твердотельные электролиты (SSEs) в качестве мембранных материалов для водной экстракции лития. Хотя изначально он был разработан для быстрой проводимости ионов лития в твердотельных батареях, где нет других ионов или жидких растворителей, было обнаружено, что высокоупорядоченная и замкнутая структура SSEs обеспечивает беспрецедентное разделение как ионов, так и воды в водных смесях.

Это открытие представляет собой потенциальный прорыв в области устойчивого извлечения ресурсов, снижающий зависимость от традиционных методов добычи полезных ископаемых, которые отнимают много времени и наносят ущерб окружающей среде.

"Задача заключается не только в увеличении производства лития, но и в том, чтобы сделать это устойчивым и экономически целесообразным способом", - сказал автор-корреспондент Менахем Элимелех, профессор гражданского строительства и охраны окружающей среды Нэнси и Клинта Карлсонов.

Чтобы сделать извлечение лития более экологически устойчивым, исследователи изучают технологии прямого извлечения лития, которые извлекают литий из нетрадиционных источников, таких как вода, добываемая из нефти и газа, промышленные сточные воды и геотермальные рассолы. Однако эти методы испытывали трудности с селективностью по ионам, особенно при попытке отделить литий от других ионов аналогичного размера или заряда, таких как магний и натрий.

Новый подход, разработанный Элимелехом и его командой, основан на фундаментальном отличии SSEs от обычных нанопористых мембран. В то время как традиционные мембраны используют гидратированные наноразмерные поры для транспортировки ионов, SSEs перемещают ионы лития по безводному скачкообразному механизму внутри высокоупорядоченной кристаллической решетки.

"Это означает, что ионы лития могут мигрировать через мембрану, в то время как другие конкурирующие ионы и даже вода эффективно блокируются", - сказал первый автор Сохум Патель, который в настоящее время является постдокторским исследователем в Массачусетском технологическом институте. "Исключительная селективность, обеспечиваемая нашим подходом, основанным на SSE, делает его высокоэффективным методом сбора лития, поскольку энергия расходуется только на перемещение желаемых ионов лития через мембрану".

Исследовательская группа, в которую также входят Арпита Иддья, Вэйи Пан и Цзяньхао Цянь - постдокторские исследователи из лаборатории Элимелеха в Райсе - протестировала это явление, используя установку для электродиализа, где приложенное электрическое поле перемещало ионы лития через мембрану. Результаты были поразительными: даже при высоких концентрациях конкурирующих ионов SSE неизменно демонстрировал почти идеальную селективность по литию при отсутствии обнаруживаемых конкурирующих ионов в потоке продукта - то, чего не смогли достичь обычные мембранные технологии.

Используя комбинацию вычислительных и экспериментальных методов, команда исследовала, почему SSEs проявляют такую замечательную литий-ионную селективность. Результаты показали, что жесткая и плотно упакованная кристаллическая решетка SSE препятствует прохождению молекул воды и более крупных ионов, таких как натрий, через мембранную структуру. Ионы магния, которые имеют заряд, отличный от заряда ионов лития, также оказались несовместимыми с кристаллической структурой и, таким образом, были отбракованы.

"Решетка действует как молекулярное сито, пропуская только ионы лития", - сказал Элимелех. "Это сочетание высокоточного размера и исключения заряда - вот что делает мембрану SSE такой уникальной".

Исследователи отметили, что, хотя конкурирующие ионы не проникали в SSE, их присутствие в исходном растворе уменьшало поток лития, блокируя доступные участки поверхности для ионного обмена, и эту проблему, по их мнению, можно решить с помощью дальнейшей разработки материалов.

В условиях надвигающейся нехватки лития отрасли, зависящие от литий-ионных аккумуляторов, включая автомобилестроение, электронику и возобновляемые источники энергии, ищут дополнительные источники лития и более устойчивые методы его извлечения. Мембраны на основе SSE могли бы сыграть решающую роль в обеспечении стабильных поставок лития без ущерба для окружающей среды, связанного с традиционной добычей полезных ископаемых.

"Интегрируя SSEs в системы электродиализа, мы могли бы обеспечить прямое извлечение лития из целого ряда водных источников, сократив потребность в больших прудах-испарителях и химически интенсивных стадиях очистки", - сказал Патель. "Это могло бы значительно снизить воздействие производства лития на окружающую среду, одновременно сделав процесс более эффективным".

Полученные результаты также предполагают более широкое применение SSE в ионоселективном разделении, помимо лития.

"Механизмы ионной селективности в SSE могли бы вдохновить на разработку аналогичных мембран для извлечения других критически важных элементов из источников воды", - сказал Элимелех. "Это может открыть путь к новому классу мембранных материалов для рекуперации ресурсов".