联手江雷院士！苏州大学靳健/张慎祥《自然·通讯》：仿生离子选择性水凝胶泵，开启太阳能驱动高通量锂提取新篇章

随着电动汽车和储能系统的迅猛发展，全球对锂的需求呈指数级增长。据预测，到2050年锂需求量将飙升至160.7万吨，较当前增长八至十倍。然而，传统盐湖提锂技术主要依赖蒸发-沉淀法，不仅周期漫长，且难以适应高镁锂比卤水的处理需求。尽管电化学、膜分离和吸附等新兴技术不断涌现，但其高能耗、大量化学品和淡水消耗等问题始终悬而未决——每生产一吨碳酸锂，可能伴生3至17吨二氧化碳排放和300至500吨淡水消耗。更为棘手的是，现有太阳能驱动膜分离系统因依赖纳米限域结构产生负压，在处理高盐卤水时极易因孔径过小导致传质阻力增加和盐结晶堵塞，锂通量远无法满足实际应用需求。

受盐生植物盐角草（Salicornia）选择性离子吸收与储存机制的启发（图1a），苏州大学靳健教授、‌张慎祥副教授和中国科学技术大学江雷院士合作，设计了一种离子选择性水凝胶泵（ISHP）系统，实现了超高通量锂提取。该系统由交联聚乙烯醇（PVA）水凝胶块和在其外表面原位生长的超薄选择性聚酰胺（PA）膜组成（图1c）。水凝胶的超强水合能力使其在阳光照射下内部可产生高达47.86巴的渗透压，为锂离子从高盐卤水中的高效跨膜传输提供了强大驱动力（图1d）。ISHP的锂通量达到1.20克/平方米·小时，较现有报道高出逾一个数量级。研究团队还设计了多单元串联装置，实现了自然户外阳光下的连续锂提取。全流程技术经济分析表明，相较于传统蒸发-沉淀法，该技术可将生产周期缩短90%，年经济效益提升八倍。相关论文以“An ion-selective hydrogel pump for high-throughput solar-powered lithium extraction”为题，发表在Nature Communications上。

图1 | ISHP的仿生设计。a，盐沼中生长的盐角草调控水分和离子吸收与储存的示意图。根部细胞选择性吸收并运输水分和离子。叶片吸收太阳能并驱动水分蒸发。叶片细胞中的液泡对离子进行区室化储存。b，盐角草细胞内盐浓度梯度的COMSOL模拟。c，ISHP太阳能驱动锂提取系统的示意图。d，ISHP的工作原理。内嵌的水凝胶充当液泡和细胞质，提供高渗透压环境并储存离子。外层的PA膜充当细胞膜，选择性运输水分和离子。

ISHP的制备与表征

研究团队首先通过化学交联凝胶化合成光热水凝胶，以聚吡咯（PPy）作为添加剂赋予PVA水凝胶光吸收特性（图2a）。随后，采用界面聚合法在水凝胶外表面生长PA膜：将水凝胶依次浸入含哌嗪（PIP）的水相溶液和含均苯三甲酰氯（TMC）的有机相溶液，超薄PA膜便在水凝胶表面原位形成。傅里叶变换红外光谱中1630 cm⁻¹处酰胺键特征峰的出现证实了PA膜的成功构建。扫描电子显微镜图像显示，水凝胶基质内部呈现多孔网络结构（图2b），PA膜则致密地附着于PVA水凝胶表面（图2c），膜厚度仅为43纳米，交联度高达80.53%。通过中性分子截留实验测定，PA膜的截留分子量约为151道尔顿（图2d），孔径分布在3.2至8.3埃之间——这一尺寸恰好小于镁离子（Mg²⁺）的水合直径（8.6埃），而大于锂离子（Li⁺）的斯托克斯直径（4.8埃），从而实现基于尺寸筛分的选择性分离，且膜表面近乎电中性（pH=7.48时Zeta电位为-1.99毫伏），避免了高盐环境中电荷屏蔽效应对提取性能的衰减。

在光学性能方面，黑色ISHP凭借PPy优异的广谱光捕获能力，在紫外-可见-近红外区域的吸光率高达98.17%（图2e）。在1千瓦/平方米的模拟太阳光照射下，ISHP表面温度迅速稳定在38°C（图2f），水蒸发速率达到1.58千克/平方米·小时，为纯水的六倍（图2g），蒸发效率达80.29%。差示扫描量热法测定显示，PVA水凝胶中水的蒸发焓为-1799焦耳/克，低于纯水，表明水凝胶有效促进了水的蒸发（图2h）。更为关键的是，研究团队通过连接不同浓度MgCl₂溶液测定水通量方向与大小（图2i），确定ISHP可产生高达47.86巴的蒸腾压力——当MgCl₂浓度为81克/升时水通量为零（图2j）——这一压力足以克服高盐卤水的渗透压，驱动水和锂离子持续跨膜进入水凝胶基质。

图2 | ISHP的制备与表征。a，ISHP制备流程示意图。b，PVA水凝胶的SEM图像。c，ISHP的SEM图像。d，PA膜对中性分子的截留率。插图为根据中性分子截留曲线拟合的相应膜的孔径分布。e，ISHP的光吸收光谱。插图为ISHP的光学照片（直径约2厘米，高约3厘米）。f，ISHP和水在1千瓦/平方米光强照射下的表面温度随时间变化。插图为红外热像图。g，ISHP、PVA/PPy水凝胶和纯水在1千瓦/平方米光强下的水蒸发速率。h，PVA水凝胶中水的DSC热流曲线。i，不同浓度MgCl₂溶液中的水通量。j，ISHP的蒸腾压力。

水凝胶促水跨膜传输机制

为揭示PVA水凝胶促进水分子跨PA膜传输的微观机制，研究团队进行了分子动力学模拟（图3a）。径向分布函数分析将水合环境划分为三个区域：0.32纳米以内为结合水，与聚合物骨架直接相互作用；0.32至0.60纳米为中间水，受PVA链影响但未形成稳定接触；0.60纳米以外为自由水，呈现体相水行为（图3b）。结合水具有最高的氢键数量（2.96个），而中间水的氢键数量略低（2.86个），表明其分子间氢键网络被削弱，更易参与蒸发相关过程（图3c）。在模拟蒸发驱动水传输的装置中，右侧渗透侧设置蒸发区域持续移除水分子，3纳秒时含PVA链的装置通过PA膜的水分子数远超不含PVA的对照装置（图3d），传输速率优势明显（图3e）。其内在机制在于：PVA水凝胶维持着高度水合且动态可重构的水网络，强化了蒸发诱导消耗与跨膜水补充之间的耦合，使水分子得以持续跨膜补给以补偿蒸发损失，水通量的增加进而拖曳更多锂离子穿越PA膜进入水凝胶——含PVA装置的锂通量达0.2克/平方米·小时，为对照装置（0.048克/平方米·小时）的4.17倍，即较对照装置高出三倍以上。

图3 | PVA水合状态及PVA水凝胶促进水传输的MD模拟。a，PVA链附近水的空间分布。b，水相对于PVA中氧原子的径向分布函数g(r)。c，不同状态水中氢键数量。误差棒表示三次重复模拟的标准偏差。d，渗透侧有和没有PVA聚合物链的模拟系统在3纳秒时的快照。e，通过PA膜的累积水分子数随时间的变化（阴影区域表示误差棒）。

太阳能驱动锂提取性能

研究团队系统评估了ISHP在不同镁锂比和盐度条件下的锂提取性能。当总盐浓度固定为10克/升、镁锂质量比从10增至100时，锂/镁选择性从18.39升至22.74（镁锂比=60处），之后稳定在20以上（图4a）；镁离子截留率始终保持在约90%以上，而锂离子截留率呈现负值（从-64.9%降至-162.1%）（图4b）。这种负截留现象可用唐南平衡解释：进料侧高浓度氯离子透过PA膜后，为维持膜两侧电中性，水合直径较小、水合能较低的锂离子也随之跨膜，实现高效富集。当镁锂比为10时，ISHP可将进料中13.5%的LiCl纯度提升至74.2%；即使在镁锂比高达100时，纯度也从1.5%提升至24.7%，凸显了卓越的锂富集效率（图4c）。

在盐度影响方面，固定镁锂比为10、盐度从5克/升增至60克/升时，锂通量从0.36克/平方米·小时逐步攀升至2.42克/平方米·小时，归因于高锂浓度下盐在膜中的分配增强；镁离子截留率在60克/升高盐度下仍保持84.0%（图4d、4e）。当总盐浓度为5克/升时，LiCl纯度从13.5%提升至83.6%，富集逾六倍（图4f）。光照强度实验表明，即使在无光照条件下，ISHP仍可从环境吸热实现0.42千克/平方米·小时的水蒸发速率和0.20克/平方米·小时的锂通量；光强从0.5增至2.0千瓦/平方米时，蒸发速率和锂通量分别升至2.12千克/平方米·小时和0.75克/平方米·小时（图4g），证实界面蒸发加速了水和锂离子的跨膜传输。此外，增加ISHP在卤水中的浸没深度可增大PA膜与卤水的有效接触面积，在2.5厘米浸没深度下锂通量达到创纪录的1.20克/平方米·小时，选择性为18.68（图4h）。这一性能远超所有已报道的太阳能驱动膜分离提锂工艺（图4i），其卓越表现归功于两大因素：水凝胶内部高渗透压驱动的跨膜水传输，以及PA膜与水凝胶直接键合的集成结构设计大幅降低了水和锂离子的传质阻力——作为对比，同条件下分层结构设计的锂通量仅为0.028克/平方米·小时。

图4 | 太阳能驱动锂提取性能。a，ISHP的锂通量和Li⁺/Mg²⁺选择性随进料镁锂比的变化。b，Mg²⁺和Li⁺截留率随镁锂比的变化。c，进料溶液和ISHP中LiCl的纯度。进料溶液为总盐度10克/升、不同镁锂比的LiCl-MgCl₂混合物。d，ISHP的锂通量和Li⁺/Mg²⁺选择性随进料盐度的变化。e，Mg²⁺和Li⁺截留率及Li⁺/Mg²⁺选择性随进料盐度的变化。f，ISHP中LiCl的纯度。进料溶液为镁锂比固定为10、不同盐度的LiCl-MgCl₂混合物。g，水蒸发速率和锂通量随光照强度的变化。h，锂通量和Li⁺/Mg²⁺选择性随浸没深度的变化。i，本工作与已报道的太阳能驱动盐湖提锂系统的锂提取性能对比。

分级提取与户外实验

为提升锂盐纯度，研究团队采用两级分离策略：第一级渗透液作为第二级进料（图5a）。以镁锂比为80的混合溶液为处理对象，经两级提取后，LiCl纯度从进料的3.41%提升至第一级的21.50%，再到第二级的86.18%；镁锂比从80降至4.56，最终降至0.47（图5b、5c）。在实际盐湖卤水验证中，研究团队采用中国青海东台吉乃尔盐湖卤水（总盐度超300克/升，镁锂比为35）作为进料。在4天户外实验中，第一级ISHP单元的锂通量平均约为0.58克/平方米·小时，第二级单元锂通量约为0.19克/平方米·小时（图5d），环境温度和太阳光强记录如图5e所示，第二级渗透液中LiCl纯度和镁锂比随时间的变化如图5f所示。经两级提取后，镁锂比从35降至0.23，选择性飙升至153.13（图6a、6b），LiCl纯度从0.29%显著提升至1.44%，MgCl₂含量则从6.59%骤降至0.21%（图6c）。富集后的锂溶液经光热蒸发浓缩、除钠钾、加NaOH和Na₂CO₃沉淀残余镁钙，最后加入Na₂CO₃沉淀碳酸锂。所得固体粉末的X射线衍射图谱与Li₂CO₃标准谱图（PDF-1141）高度吻合，纯度高达98.5%（图6d）。在连续运行过程中，ISHP内部微观结构保持完好，化学交联的PVA水凝胶有效防止了聚合物溶出，连续提取-释放操作也成功避免了盐垢积聚，展现出良好的卤水稳定性。

图5 | 两级锂提取及户外实验。a，两级锂提取过程示意图。b，进料溶液、第一级渗透液和第二级渗透液中LiCl纯度及镁锂比。c，两级提取过程中Li⁺/Mg²⁺选择性和LiCl纯度的变化。d，第一级和第二级ISHP单元在4天户外实验中的锂通量。e，户外实验期间的环境温度和太阳光强。f，第二级渗透液中LiCl纯度和镁锂比随时间的变化。

技术经济分析与展望

研究团队对ISHP工艺与传统蒸发-沉淀法进行了全面经济性比较（图6e）。传统工艺生产1吨碳酸锂需约404天，消耗约4.36吨化学沉淀剂，平均成本约为1799美元/吨；而ISHP工艺仅需约45天，沉淀剂消耗仅约0.3吨（图6f）。得益于沉淀剂用量的大幅削减和生产周期的显著缩短，碳酸锂年利润可达59098美元（以2025年8月价格计），较传统工艺提升近八倍。该ISHP系统还可浮于现有蒸发池表面运行，几乎不占用额外土地，其被动式设计实现了低成本、低能耗、低碳排放的锂提取。这项受盐角草启发的离子选择性水凝胶泵技术，为盐湖卤水中锂的绿色回收提供了一条极具前景的技术路径，有望为全球锂供应链的可持续发展注入强劲动力。

图6 | 盐湖卤水锂提取及技术经济分析。a，基于ISHP的锂提取流程。b，各阶段的镁锂比及对应的Li⁺/Mg²⁺选择性。c，东台吉乃尔盐湖卤水和第二级渗透液的盐组成。d，加入Na₂CO₃后收集沉淀物的XRD图谱。插图为Li₂CO₃粉末的照片。e，ISHP工艺与传统蒸发-沉淀法在生产周期和沉淀剂用量上的对比。f，ISHP工艺与传统工艺生产碳酸锂的成本和年利润对比。