锂是元素周期表中最轻的金属，在现代生活中扮演着至关重要的角色。它重量轻、能量密度高，使其成为电动汽车、手机、笔记本电脑以及军事技术的理想选择，因为每一盎司都至关重要。随着锂需求的飙升，人们对供应和可靠性的担忧日益加剧。

图片来源： 阿贡国家实验室

据外媒报道，为了满足激增的需求并应对可能出现的供应链问题，美国能源部（Department of Energy，DOE）阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）的科学家们开发出一种创新的膜技术，可以高效地从水中提取锂。团队中的几位成员还同时在芝加哥大学（University of Chicago）普利兹克分子工程学院（PME）任职。相关研究成果发表在《先进材料（Advanced Materials）》期刊上。

“我们开发的新型膜为国内锂的提取提供了一种潜在的低成本且丰富的替代方案，”阿贡国家实验室先进能源技术理事会首席科学技术官Seth Darling说道。他同时也是阿贡国家实验室能源前沿研究中心能源-水系统先进材料（AMEWS）主任和PME高级科学家。

目前，全球大部分锂资源来自少数几个国家的硬岩矿和盐湖，这使得供应链很容易受到干扰。然而，地球上的大部分锂实际上溶解在海水和地下咸水储量中。

问题何在？从这些非常规资源中提取锂的成本高昂、耗能且效率低下。传统方法难以将锂与其他更丰富的元素（如钠和镁）分离。

在盐水中，锂和其他元素以阳离子的形式存在。这些原子失去了一个或多个电子，从而带上正电荷。高效提取锂的关键在于根据阳离子的大小和电荷程度，过滤掉其他阳离子。

这种新型膜提供了一种颇具前景的低成本解决方案。它由蛭石制成，这是一种天然丰富的粘土，每吨成本仅为350美元左右。该团队开发了一种工艺，将粘土剥离成厚度仅为十亿分之一米的超薄层，然后将它们重新堆叠，形成一种过滤器。这些层非常薄，甚至可以被认为是二维的。

但存在一个问题：未经处理的粘土层由于对水的亲和力很强，会在半小时内在水中分解。

为了解决这个问题，研究人员在膜层之间插入了微小的氧化铝柱，使该结构看起来像一个正在建设中的高层停车场——许多坚固的柱子将每个“楼层”固定到位。这种结构可以防止坍塌，同时中和膜的负表面电荷，这是后续改性的关键步骤。

接下来，将钠阳离子引入膜中，它们在氧化铝柱周围沉积。这使得膜的表面电荷从中性变为正电荷。在水中，镁离子和锂离子都带正电荷，但镁离子的电荷（ 2）高于锂离子（ 1）。

膜表面带正电，对高电荷镁离子的排斥力大于对锂离子的排斥力。这种差异使得膜能够更容易地捕获锂离子，同时将镁离子阻挡在外。

为了进一步提升性能，团队添加了更多的钠离子。这减小了膜的孔径。结果是，膜允许钠和钾等较小的离子通过，同时捕获较大的锂离子。

“我们的膜通过离子大小和电荷进行过滤，可以更高效地从水中提取锂，”该研究的第一作者、芝加哥大学博士生、AMEWS团队成员Yining Liu说道。

研究人员认为，这一突破可能具有更广泛的应用，从回收镍、钴和稀土元素等其他关键材料，到去除水源中的有害污染物。

“这种粘土材料有很多种，”Yining Liu说道。“我们正在探索它如何帮助收集海水和盐湖卤水中的关键元素，甚至帮助净化我们的饮用水。”