苏大靳健教授团队《AFM》：太阳能界面蒸发驱动的盐湖提锂新突破

锂被誉为 “21 世纪能源金属 ” ，盐湖作为 锂 资源的重要储存地，其战略价值在全球能源 转型进程 中日益凸显。然而盐湖卤水中因含大量竞争离子（ 如 Mg 2+ ），导致 锂 资源的分离、提取难度大幅增加。传统的锂提取技术如沉淀法、萃取法和吸附法，普遍存在高能耗、环境污染等问题。近年来，纳滤膜分离技术因高选择性和环境友好特性，在盐湖提锂中备受关注。然而在实际分离过程中，纳 滤无法 直接处理高渗透压的卤水，常规预处理需消耗大量淡水进行稀释， 增加了 提锂成本。因此，发展绿色、环保、可持续的盐湖提锂新技术，是破解这一难题的关键，具有重要的经济社会价值和战略意义。

在前期研究中，苏州大学靳健教授研究团队受泌盐植物--红树林选择性离子吸收和盐分分泌过程的启发，首次提出了一种太阳能驱动的膜分离的设计。利用离子分离膜和太阳能蒸发器的协同作用， Li + 在蒸发器表面不断选择性富集，并且可以在蒸发器的表面以 LiCl 的形式结晶出来，为盐湖提 锂提供 了一种清洁、高效的方式（ Nat. Commun. 2024 , 15 , 238 ）。然而，由于传统 的多孔结构 太阳能蒸发器普遍存在 （ 1 ）蒸发器表面 盐结垢问题 ；（ 2 ）当 蒸发速率与水传输速率不匹配时 在蒸发器内部 形成空化问题。 针对 这些问题， 本研究 设计了一种嵌入高保水聚合物 （ PVA ） 的超亲水太阳能蒸发器，以产生超高负压（ -59 MPa ），实现持续的水流并抑制盐结晶。在 光强为 1 kW m -2 照射 下，蒸发器显示出 2.43 kg m -2 h -1 的高水蒸发速率； 在水蒸发产生的内聚力作用下，持续驱动水和 Li + 透过离子分离膜，并实现 Li + 在蒸发器内部的富集 。通过 对 聚酰胺 (PA) 离子 分离 膜 的结构优化 ， 我们设计的 太阳能驱动 锂 提取系统展现出卓越的 Li + /Mg 2+ 分离性能，分离因子高达 15.6 。 长时间 室外实验表明，超亲水蒸发器能保持水合作用，抑制空化并确保 Li + 持续富集。该系统在多种离子存在的模拟盐湖卤水中具有稳定的锂提取性能， LiCl 的收集率达到 600 mg m -2 d -1 以上。 本研究 充分利用 清洁、充沛的 太阳能， 为 盐湖 锂 资源 高效 、低能耗 提取 提供了新思路 。

图 1 . 用于 锂 提取的太阳能驱动膜分离设计。 a) 太阳能驱动 锂 提取装置示意图。超亲水太阳能蒸发器促进水蒸发并产生负压，促使水和 Li + 持续向上流动。离子选择性 膜允许 Li + 快速扩散，同时抑制 Mg 2+ 。 b) 传统蒸发器示意图显示了蒸发过程中易 受盐垢和 空化现象的影响。 c) 具有更高保水能力的超亲水蒸发器示意图有效避免了蒸发过程中的空化现象。

图 2 . PVA/ PPy 太阳能蒸发器 结构表征 。 a) 原始三聚氰胺海绵的 SEM 图像。 b 、 c) PVA/ PPy 蒸发器的 SEM 图像。 d) PVA/ PPy 蒸发器表面的动态水接触角。 e) PVA/ PPy 和原始海绵蒸发器的光吸收光谱。 f) PVA/ PPy 蒸发器在 1 kW m -2 强度辐照下的红外图像。 g) PVA/ PPy 蒸发器、原始海绵和水在 1 kW m -2 强度辐照下随时间变化的表面温度。 h ） PVA/ PPy 蒸发器、 PVA 蒸发器和水的热流 - 温度 曲线。插图分别为 PVA/ PPy 蒸发器、 PVA 蒸发器和水的蒸发 焓 。 i ）在 1 kW m -2 强度的辐照下，水的质量随时间的变化。

图 3 . PA 膜的制备和表征。 a) PA 膜制备工艺示意图。 b) SWCNT 薄膜支撑的 PA 膜的表面 SEM 图像。 c) SWCNT 薄膜支撑的 PA 膜的横截面 SEM 图像。 d) PA 膜的 XPS 光谱和相应的交联度。 e) PA 膜对 LiCl 、 MgCl 2 、 CaCl 2 的 截留 作用。

图 4. 太阳能驱动的水蒸发和 锂提取 性能。 a) 太阳能驱动的锂提取装置示意图。 b) 在 1 kW m -2 下，使用和不使用 PA 膜的锂提取系统中纯水的蒸发速率。 c) PVA/ PPy 蒸发器中的 LiCl 浓度随时间的变化。进料为混合盐溶液， MgCl 2 /LiCl 质量比为 10 ，总盐度为 10.0 g L -1 。 d, e) MgCl 2 /LiCl 质量比对太阳能驱动的锂提取的影响。进料溶液为 MgCl 2 -LiCl 混合物，盐度固定为 5.0 g L −1 ， MgCl 2 /LiCl 质量比不同。 f, g) 盐浓度对太阳能驱动的锂提取的影响。进料溶液为 MgCl 2 -LiCl 混合物， MgCl 2 /LiCl 的质量比固定为 10 ，盐度各不相同。 h) 太阳能驱动 锂 提取过程中水的质量随时间变化。 i ) PVA/ PPy 太阳能蒸发器的可重复使用性测试。

图 5 . 针对 模拟盐湖卤水 的 太阳能驱动 锂 提取。 a) 蒸发前后卤水 溶液和 PVA/ PPy 蒸发器中 NaCl 、 LiCl 、 MgCl 2 和 CaCl 2 的质量 占 比。 b) 蒸发前后 模拟盐水溶液和 PVA/ PPy 蒸发器中 Mg 2+ /Li + 质量比的变化。 c) 在不同模拟盐湖卤水中太阳能驱动 锂 提取的盐水溶液和蒸发器中 Mg 2+ /Li + 质量比及相应的分离 因子 。 d) 添加 Na 2 CO 3 后收集的沉积物的 XRD 图谱。

图 6 . 室外实验。 a) 室外实验太阳能驱动 锂 提取系统照片。 b) 苏州大学校园室外实验期间（ 8:30 至 16:30 ）水蒸发速率。 c) 自然光照下太阳能驱动 锂 提取系统的稳定性测试。

苏州大学材化部 硕士研究生曹雪 为论文的第一作者， 靳健教授和张慎祥副教授 为该论文的共同通讯作者。该研究工作得到科技部重点研发计划、国家自然科学基金的资助。

团队介绍

靳健，苏州大学特聘教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者。 1996 年和 2001 年在吉林大学获得学士和博士学位，随后在日本东京大学从事博士后研究， 2004-2009 年在日本物质材料研究机构先后任特别研究员、主任研究员， 2008 年入选中国科学院 “ 百人计划 ” ， 2009-2020 年任中科院苏州纳米所研究员， 2017 年加入苏州大学。致力于高分子膜材料、仿生超浸润膜及纳米 孔材料 的设计制备 及在海水脱盐、离子和小分子分离、水净化、二氧化碳及燃料气体纯化、生物医用分离等领域的研究。在 Nat. Mater. 、 Nat. Nanotechnol . 、 Nat. Commun. 、 J. Am. Chem. Soc. 、 Proc. Natl. Acad. Sci. 等期刊发表论文 180 多篇，论文共被引用 18000 余次， H-index ： 65 ， i10-index ： 141 。获授权发明专利 28 件， PCT 专利 2 件。入选 2020 、 2021 、 2022 年度全球前 2% 顶尖科学家（斯坦福大学）；连续入选全球顶尖前 10 万科学家（全球学者库）。研究成果获得江苏省科学技术奖一等奖（排名第一），中国化工学会基础研究成果奖一等奖（排名第一）。荣获科技部中青年科技创新领军人才、 中组部 “ 万人计划 ” 、 全国巾帼建功标兵、江苏省高层次创新创业引进人才、江苏省杰出青年等称号。并获中科院朱李月华优秀教师奖。承担基金委重点项目、科技部重点研发计划（子课题）、江苏省重大产学研合作项目等国家省级科研项目二十多项，并作为科研骨干参与基金委基础科学中心项目。担任 Desalination 、 J. Membr . Sci. Lett 、 Adv. Membr . 、《膜科学与技术》、《水处理技术》期刊编委，《高等学校化学学报》期刊青年执行编委。

研究方向：功能高分子复合材料；高分子 / 无机微孔复合材料；多孔膜材料；仿生超浸润膜；纳米多孔分离膜及气体、离子分离应用研究。

课题组主页：

http://www.film-sinano.com/

团队招聘

靳健教授课题组拟招聘 2-3 位具有 化学 / 材料合成背景的博士后 （ 年薪高达 30 万 元 ）， 常年招收 2-3 名优秀 博士生。请申请者将个人简历等材料发送给靳老师（ jjin@suda.edu.cn ），邮件以 “ 职位申请 + 姓名 ” 命名。

参考文献：

Cao, Xue, et al. "Superhydrophilic Solar Evaporator Combined with Ion-Selective Membrane for High-Efficiency Lithium Extraction."

Advanced Functional Materials

https://doi.org/10.1002/adfm.202507397

来源：高分子科学前沿

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