Ожидается, что в ближайшие пятнадцать лет спрос на литий для аккумуляторов более чем вдвое превысит прогнозируемую добычу. Традиционные методы — кислотная переработка руды и выпаривание в соляных бассейнах — требуют огромных затрат воды, энергии и химикатов, нанося вред экологии. В связи с этим ведется поиск более чистых способов извлечения лития непосредственно из природных водных растворов.
Одним из перспективных направлений является электрохимическая интеркаляция — процесс, при котором под действием электрического тока ионы одного материала внедряются между слоями другого. В случае извлечения из воды такой подход позволяет создать своеобразные фильтры, где ток протаскивает заряженные частицы через микроскопические каналы. Однако главная трудность заключается в том, что эти каналы пропускают не только ионы лития, но и близкие к ним по свойствам ионы натрия, которых в природных водах значительно больше.
В работе, опубликованной в журнале Nature Communications, исследователи из Школы молекулярной инженерии Притцкера Чикагского университета (США) продемонстрировали, что можно достичь чистоты извлекаемого лития до 99% даже при тысячекратном избытке натрия. Это стало возможным благодаря детальному изучению того, что происходит в материале при одновременном внедрении разных ионов. Оказалось, что поведение системы определяется двумя параллельными процессами. Первый — это принудительное внедрение ионов под действием приложенного напряжения. Второй — естественное стремление материала к химическому равновесию, при котором ионы обмениваются местами. Оба процесса идут одновременно, но с разной скоростью.
Исследования показали, что более крупные ионы натрия выталкивают ионы лития к определенным участкам внутри слоистой структуры. Эти участки удобны для лития, но при большом количестве натрия они быстро заполняются, и свободные места для лития исчезают. Поэтому важно управлять скоростью подачи ионов. Если вести процесс медленно, позволяя обменным реакциям «догонять» внедрение, то есть материал может многократно захватывать и отдавать литий без потери своих свойств.
Важную роль играет размер частиц материала. Мелкие частицы быстрее адаптируются к меняющемуся составу раствора и легче возвращаются в исходное состояние после каждого цикла. Это обеспечивает высокую стабильность и позволяет проводить множественные циклы извлечения без снижения эффективности.
Пока что этот метод трудно применять на практике, так как в изученном материале содержится кобальт — дорогой и редкий металл. В будущем ученые планируют использовать более доступные соединения, например, на основе марганца. Это сделает технологию дешевле и позволит добывать литий из соленой воды в промышленных масштабах. Понимание того, как ведут себя слоистые материалы, и умение управлять скоростью процессов помогут создать чистый и эффективный способ получения лития.
Ранее Наука Mail рассказывала о том, что в России создали батарейку на соленой воде.
