赖志平教授团队规划电驱动的接连化膜进程把海水中的锂离子浓度提
榜首作者：Zhen Li (李震 博士)
通讯作者：Zhiping Lai (赖志平 教授)
通讯单位：King Abdullah University of Science and Technology(阿卜杜拉国王科技大学)
布景介绍
二十一世纪人类面对的十四个全球性问题中，排名第2、3、8位的别离为环境问题、资源缺少问题和动力安全问题。海洋是一个巨大的资源储藏库，选用绿色工艺从海水中提取各类紧缺元素已成为当下的抢手研讨范畴。近年来因为电气设备和新动力轿车对锂离子电池需求的急剧增加，使得陆地上的锂矿资源逐步变得绰绰有余。海洋中蕴藏的丰厚锂资源开端进入人们的视野，并被认为是保证未来锂资源供给的终极处理方案。可是，海洋中锂离子的浓度极低(仅0.2 ppm左右)，从海水中提取锂十分困难。膜进程是最节能的别离办法之一。
在许多重要的工业别离进程中， 比方海水淡化，膜进程能够节约高达 90% 的能耗。此外，膜工艺还具有易于扩大，占地面积小，可接连化出产、和零排放等长处。赖志平教授及其团队运用锂镧钛氧型钙钛矿资料对锂离子的高效传输和专注选择性，规划了一个电驱动的接连化膜进程，成功的把海水中的锂离子浓度提升了4万倍。经过和传统的沉积法结合，能够经济有用的从海水中提取锂。
本文亮点
1)提出了一种电驱动的接连化膜别离进程，凭借锂镧钛氧型钙钛矿资料对锂的高效传输和专注的离子筛分效应将海水中的低浓度锂从很多搅扰离子中筛分出来。
2)把海水提锂进程与氯碱进程耦合，完成了对电能的综合运用，同步完成了提锂、产氯和绿色产氢。
图文解析
赖志平教授和他的团队规划了一个具有三隔室结构的电驱动提锂设备。海水从中距离室进入。以往的报导往往将阳极直接插入海水。但该设备运用阴离子交流膜阻隔出一个充溢饱满氯化钠溶液的阳极室。这不只有用降低了析氯电位，还能够运用同离子效应按捺氯气的溶解，然后避免氯气溶于海水而构成海洋污染和产品丢失。阴极室运用特制的玻璃态锂镧钛氧型钙钛矿无机膜与海水离隔。二氧化碳经过铜中空纤维膜涣散进入阴极室。一起磷酸作为辅佐溶液和二氧化碳一起构成一个微酸的缓冲溶液以操控阴极室的pH值。一个微酸的环境不光有利于析氢，还能够维护钙钛矿无机膜的安稳运转。
离子筛分机理
锂镧钛氧型钙钛矿具有图1c 中所示的晶体结构。TiO6八面体相互连接构成立方晶格。晶格内包容锂和镧离子。镧离子在c轴方向构成交织摆放的富镧层和贫镧层，并构成很多空穴。锂能够在空穴间搬迁，但需经过一个由四个TiO6八面体围成的正方形窗口。窗口直径为1.07埃米。锂离子直径为1.18埃米。因为晶格的轰动和变形，锂离子能够穿透窗口在整个晶格内快速分散。但钠、钾、镁、钙等离子具有较大体积，并且镁、钙的电荷与空穴电荷不匹配。所以这些离子的传输所需求战胜的能垒远超锂离子。基于此原理，锂镧钛氧型钙钛矿能够完成锂离子的快速传输，一起可有用别离其他的搅扰离子。
海水提锂测验
赖志平教授和他的团队运用该设备演示了从红海水中提锂的进程。经过五级提炼，终究锂离子浓度到达9013.43 ppm，而钠，钾，镁，钙的浓度别离为305.25 ppm、7.71 ppm、1.48 ppm和0.56 ppm 。整个流程的表观锂镁选择性超越4500万。电荷的法拉第功率，除榜首级约为47.06%，其他各级均为100%。 图2.(a)提锂进程中每一级的计时电流曲线，曲线与时刻的积分即为该进程中搬迁的总电荷量；(b)提锂进程中安稳电流与质料锂浓度的联系；(c)提锂进程中每一级的离子经过量；插图显现情节在低范围内，以协助检查搅扰离子的成果：(d)提锂进程中每一级中不同离子的搬迁对电流的贡献率。实心方块表明整体功率(100%)。
锂产品
运用氢氧化钠将浓缩液的pH调到12.2能够很简单的把锂以磷酸锂盐的方法沉积出来。锂的回收率超越99%。经过恰当的洗刷枯燥就能够得到如图3a所示的白色粉末。其间磷酸锂含量超99.94%，而杂质Na、K、Mg、Ca的质量分数别离小于195，1.0、25和17 ppm。产品纯度能够满意电池工业的要求。 图3.(a) 磷酸锂产品；(b)磷酸锂产品的XRD图，附上规范图谱作为比照。
预期带来的效益和远景
依据试验数据测算，浓缩 1公斤锂需耗电76.34度。一起，从阴极和阳极可副产0.87公斤氢气和31.12公斤氯气。以美国6.5美分每度的电价核算，总电费约为5.0美元。依据2020年氢气价格(2.5-8.0美元每千克)和氯气的价格(0.15美元每千克)，副产品总价值约为6.9-11.7美元，满足补偿动力本钱。
总结与展望
经过运用晶体晶格热运动发生的空穴完成对离子的高效筛分不只能够促进膜科学的研讨，并且能够处理未来对锂电的巨大需求。这种学以致用、谋福社会，正是一个工科人才独具的匠心和初心，也是科学研讨的魅力地点。
原标题：一项技能，一次革新！赖志平教授团队规划电驱动的接连化膜进程把海水中的锂离子浓度提升了4万倍?
