一位材料科学家试图从未开发的资源中提取锂

电动汽车有望帮助我们摆脱对化石燃料的依赖，但它们带来了一个新问题：电动汽车电池需要（序列号：2019 年 5 月 7 日）。

芝加哥大学的材料科学家 Chong Liu 有一些想法。现有技术只能从离子高度集中的来源中提取锂，例如硬岩或称为盐水的地下咸水沉积物。这些资源不仅不足以满足需求，而且还会开采它们(序列号：22 年 3 月 15 日）。

不过，刘已经发现了一种可以从未开发的来源中提取的材料。她关注的是地热和海水淡化过程中留下的盐水、水力压裂产生的废水甚至海水，如果能够开采的话，有一天它们可以提供大量的锂。然而，一个巨大的挑战是，海水中钠与锂的比例约为 20,000 比 1，远低于当前来源的数百比 1。

刘说，从低浓度溶液中提取锂离子用于商业用途将需要更多的研究。但她的努力在更有效地提取资源方面取得了巨大进步，芝加哥大学分子工程师马修·蒂雷尔 (Matthew Tirrell) 于 2018 年聘请刘担任助理教授。这不仅仅是锂提取：“她的工作正在为涉及离子在多孔、密闭空间中移动的其他过程奠定基础，”他说，未来的应用范围从寻找加速化学反应的方法到潜在治疗汞或铅中毒患者。

选择锂

刘正在研究的方法——称为电化学插层——最近才被用于提取资源。首先，研究人员将一种充满离子大小通道的材料浸入盐水中。水中的锂离子进入材料的通道晶格并可以在那里被捕获。但盐水中还含有钠离子等，这些离子会进入这些通道，从而减少了可以吸收的锂量。

2016年左右，刘在斯坦福大学做博士后期间开始寻找理想的扣篮材料。她知道正确处理这一点很重要：“这种材料的特性将决定我们可以获得多少[锂]选择性，以及我们可以使用什么水源，”刘说。选择性越好，捕获的锂就越多。因此，她在科学文献中搜寻符合要求的材料。它需要在水中保持稳定，并且即使在充满离子的情况下也能保持其结构。

她最终决定磷酸铁。磷酸铁中的氧比与竞争的钠离子更容易与锂结合。较大的钠离子可以扩大通道，但锂-氧键使通道保持较小并能容纳更多的锂。一旦材料充满离子，它就会被转移到淡水中，研究人员在淡水中施加电流来驱逐离子。然后他们添加一种氢氧化物，它与锂结合形成固体氢氧化锂，这是电动汽车电池中使用的原材料。

斯坦福大学的物理学家朱棣文说，目前磷酸铁能够提取的锂量是“惊人的”。美国前能源部长楚在博士后研究期间与刘共事。 “完成此操作后，您就可以满足于现状并说：‘太棒了。’”但她也忍不住[问]，‘这可行吗？’”

在芝加哥的实验室里，刘一直致力于提高材料的效率。她的团队研究锂离子和钠离子如何进入材料的孔洞、以什么顺序以及它们在材料内部如何相互作用。刘说，通过更好地了解离子的行为，团队可以提高材料的性能。

挖掘理解

刘氏团队也是开发新方法用于分离稀土元素，她说这“实际上比锂提取更难”。这17个要素是，包括风力涡轮机和智能手机（序列号：1/16/23）。但它们经常在一起被发现，需要将它们分开——这是一项艰巨的任务，因为它们的大小和化学成分相似。

除了这两种方法之外，实验室的大部分工作都集中在基础材料科学上。 “我们只是积累了越来越多的知识，这样我们就可以开始预测事情，”她说。这就是她选择磷酸铁的原因：经过大量研究，这是团队尝试的第一种材料。

朱说，正是这种深刻的理解让刘脱颖而出。他说，“有一小部分人是你想要关注的”，因为他们经常想出聪明的新方法，“她就是其中之一。”

刘并不总是梦想成为一名材料科学家，甚至是一名教授。但在她攻读博士学位期间。在斯坦福大学，她意识到自己喜欢研究环境。 “我真的很喜欢解决这个难题，”她说。 “这让我决定也许我想一辈子从事这份工作。这很有趣。”

周末，她有不同的乐趣：和孩子们一起玩乐高积木或骑自行车。她开始教儿子有关太阳系和光合作用的知识。 “我们正在尝试看看我们是否能够保持乐趣，”她说，“但要偷偷地加入一点科学知识。”