《顶刊精读》Science：太阳能蒸腾驱动的锂提取和存储

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文章介绍

他们想解决一个什么问题？

全球对锂的需求越来越大，但目前的锂开采方法要么非常耗能，要么对环境有很大影响 。特别是在从盐湖卤水中提取锂时，由于锂离子常常与镁、钙等其他相似的离子混在一起，分离起来非常困难，导致成本高、效率低，而且还消耗大量水资源 。

以前的方法有什么不给力的地方？

目前主流的蒸发法开采技术，虽然被87%的锂矿设施使用，但它的效率很慢，需要消耗大量的水，并且只适用于高品位的卤水 。这限制了锂的清洁和可持续供应 。

他们想到了什么新点子或用了什么新招数？

作者们从一种生活在盐碱地的植物——“盐生植物”身上得到了灵感 。这些植物通过“蒸腾作用”从高盐度的土壤中吸收养分，同时利用特殊的器官储存和排出多余的盐分，从而避免伤害 。

受此启发，他们设计并制造了一种叫做“太阳能蒸腾供能的锂提取和储存（STLES）” 装置 。这个装置像盐生植物一样，利用太阳能驱动的蒸腾作用，在装置内部产生一个强大的压力，这个压力就像一个“吸力”，可以把卤水中的锂离子通过一层特殊膜“吸”出来，并储存在一个专门的“血管”层里 。

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结论

结果怎么样？他们发现了什么有趣的现象或者得到了什么好效果？

这个装置真的“牛”！它在没有额外能源输入的情况下，仅仅依靠太阳光就能从卤水中提取和储存锂 。

他们制造的蒸发器能产生高达18.7 bar 的强大压力，足以驱动锂的提取 。在模拟晴天和阴天的50小时测试中，装置的性能几乎没有下降，证明了其优异的稳定性 。

他们还将装置应用到中国三个主要盐湖的实际卤水中，结果成功提取了锂，并且在某些情况下，锂的选择性（也就是纯度）达到了惊人的 7倍 。

通过四级串联提取，可以将卤水中的镁锂比（MLR）从422降到2.5，锂的选择性更是高达 168倍 。

这个装置还具有很好的可扩展性，将模块数量增加，锂的产量也随之线性增加 。

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研究数据

图1（A-H）: STLES的概念与设计

主旨: 介绍STLES装置的整体概念、工作原理和核心组件的结构。

关键信息:

图1A展示了STLES阵列漂浮在水上，利用太阳能大规模提取锂的场景。

图1B详细描绘了其工作原理：太阳能蒸腾产生压力，将锂离子从卤水中吸入储存层。

图1C、1D和1E通过截面扫描电镜图像，展示了太阳能蒸发器、锂储存层和纳米过滤膜这三个关键组件的微观结构。

图1F和1G分别从理论上展示了蒸腾压力和蒸腾通量与材料参数（孔径、接触角）和温度的关系，为装置设计提供了理论依据。

图1H则展示了储存层通道尺寸与空化现象的关系，解释了为何小孔径可以维持稳定水流。

与创新点的关联: 图1通过宏观概念图、微观结构图和理论图，完整地阐释了STLES装置的创新机制和设计理念，是整个论文的“基石”。

图2（A-G）: 蒸发器和储存层的设计与表征

主旨: 验证太阳能蒸发器和锂储存层的关键性能，为装置的有效性提供实验数据支撑。

关键信息:

图2A通过实验验证了蒸发器能产生18.7 bar的实际蒸腾压力，与理论值吻合，并足以驱动纳米过滤。

图2B和2C对比了光热蒸发器和传统蒸发器，展示了光热蒸发器在太阳光下更高的温度和更强的蒸腾通量，凸显了其高效性能。

图2D、2E和2F展示了锂储存层的制备过程和其均匀的151 nm通道尺寸，并证明其小于空化临界尺寸，可有效抑制空化风险。

图2G展示了在模拟不同光照条件下，装置在50小时内保持了稳定的蒸腾通量，证明了其长期稳定性。

与创新点的关联: 图2提供了核心组件性能的量化数据，直接验证了图1中提出的设计理念是可行的，特别是高达18.7 bar的压力和长达50小时的稳定性，是支撑核心创新点——“太阳能驱动”和“稳定工作”的关键证据。

图3（A-G）: 装置的制造与性能验证

主旨: 验证STLES装置在不同卤水条件下的实际锂提取性能和长期稳定性。

关键信息:

图3A、3B和3C展示了STLES模块及其多层结构。

图3D显示了随着镁锂比（MLR）的增加，锂选择性也随之提高。

图3E展示了当卤水盐度增加时，锂通量先升后降，但锂选择性逐渐降低。

图3F则在实际盐湖卤水测试中，证明了装置的有效性，并显示了提取选择性与卤水成分有关。

图3G显示了装置在模拟日夜循环下，经过528小时的长时间运行后，依然能保持稳定的通量和选择性，总共只需2小时的再生。

与创新点的关联: 图3将实验对象从材料组件升级到完整的STLES装置，展示了其在接近实际应用条件下的性能数据，强有力地证明了该装置的有效性和实用性。

图4（A-D）: 兼容性与可扩展性

主旨: 探索STLES装置的潜在性能提升空间和大规模应用的潜力。

关键信息:

图4A展示了STLES可以与多种纳米过滤膜兼容，并实现高达24的锂选择性。

图4B展示了多级串联提取的策略，通过四级提取，将MLR从422降至2.5，选择性提高到168倍。

图4C和4D展示了随着模块数量从1个增加到16个，锂的产量也呈线性增加，突出了其优异的可扩展性。

与创新点的关联: 图4超越了单一装置的性能验证，从膜技术、系统工程和规模化应用三个维度，展示了STLES技术的巨大潜力和未来发展方向，是论证其“颠覆性”和“可持续性”的关键支撑。

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结果与讨论解读

关键结果总结:

1. 论文成功设计并制造了STLES装置，其核心组件（太阳能蒸发器和锂储存层）表现优异。蒸发器能产生18.7 bar的高压，驱动锂离子透过膜 。

2. 锂储存层通过精细控制的孔径（151 nm），有效抵抗了空化和盐分沉积，确保了装置的长期稳定运行 。

3. 在50小时的测试中，装置展现了出色的稳定性；在528小时的模拟日夜循环测试中，生产力和选择性也保持稳定，只需极少的再生时间 。

4. 装置成功从模拟和实际盐湖卤水中提取锂，锂选择性最高可达7 。

5. 通过多级串联，选择性可提升至168倍，展示了强大的工程优化潜力 。

6. 装置的锂产量与模块数量线性相关，证明了其可大规模应用的优异可扩展性。

讨论深度分析:

作者们不仅展示了结果，还深入讨论了影响装置性能的关键因素。他们详细解释了为何蒸发器需要同时满足高压力和高通量，并指出温度是影响通量的主要因素 。

在讨论储存层时，他们明确指出了抵抗空化和盐分沉积的必要性，并用具体数据（孔径小于空化临界尺寸）解释了其设计如何实现这一目标 。

在分析锂提取性能时，他们深入探讨了卤水成分（MLR和盐度）对锂通量和选择性的影响，并用电荷屏蔽效应等机制进行解释 。

最值得称赞的是，作者不仅满足于当前性能，还积极展望了未来改进方向，例如通过膜技术改进来进一步提升选择性（过渡态理论）以及通过多级串联等系统工程方法来优化整体性能 。这种讨论深度体现了作者对该研究领域的深刻理解和前瞻性思考。

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DOI链接

10.1126/science.adm7034

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