В условиях растущего спроса на литий — ключевого компонента аккумуляторов для электромобилей — исследователи из лаборатории Элимелеха Университета Райса представили метод извлечения этого металла, способный трансформировать отрасль. Результаты исследования демонстрируют почти идеальную селективность лития за счёт применения твердотельных электролитов (ТЭ) в качестве мембранных материалов для извлечения из водных растворов. Эти структуры, изначально разработанные для быстрой передачи ионов лития в твердотельных батареях (без участия других ионов или жидких растворителей), благодаря жёсткой упорядоченной кристаллической решётке обеспечили беспрецедентное разделение ионов и воды в смесях.

Это открытие может стать прорывом в устойчивом восстановлении ресурсов, сократив зависимость от традиционных методов добычи, которые требуют больших временных затрат и наносят вред экологии. «Задача не только в увеличении объёмов производства, но и в обеспечении устойчивости и экономической целесообразности», — подчеркнул Менахем Элимелех, профессор гражданской и экологической инженерии, ведущий автор исследования.

Современные технологии прямого извлечения лития из нетрадиционных источников — таких как пластовая вода при добыче нефти и газа, промышленные стоки или геотермальные рассолы — сталкиваются с проблемой селективности. Особенно сложно отделить литий от ионов схожего размера или заряда, например магния и натрия. Команда Элимелеха предложила принципиально иной подход, основанный на различиях между ТЭ и традиционными нанопористыми мембранами. Если обычные мембраны транспортируют ионы через гидратированные нанопоры, то ТЭ перемещают ионы лития по «сухому» механизму прыжков внутри упорядоченной кристаллической решётки.

«Это означает, что литий проходит через мембрану, а конкурирующие ионы и даже вода блокируются, — объяснил Сохум Патель, первый автор статьи. — Экстремальная селективность делает наш метод высокоэффективным, так как энергия тратится только на перемещение целевых ионов».

В эксперименте с электродиализом, где электрическое поле направляло ионы через мембрану, ТЭ показали близкую к 100% селективность даже при высокой концентрации примесных ионов. В продуктивном потоке не было обнаружено посторонних ионов — результат, недостижимый для обычных мембран. Компьютерное моделирование и эксперименты выявили причину: жёсткая кристаллическая решётка ТЭ не пропускала молекулы воды и более крупные ионы (натрий), а ионы магния, отличающиеся зарядом, оказались несовместимы с её структурой.

Учёные обнаружили, что примесные ионы, хотя и не проникали через ТЭ, снижали поток лития, блокируя точки ионного обмена. Эта проблема, по их мнению, решается дальнейшей инженерией материалов.

На фоне прогнозируемого дефицита лития технологии на основе ТЭ могут стать ключом к устойчивому снабжению отраслей — от автомобилестроения до возобновляемой энергетики.

Перспективы технологии не ограничиваются литием. «Механизмы селективности ТЭ могут вдохновить создание мембран для извлечения других критически важных элементов, открывая путь к новому классу материалов для ресурсосберегающих технологий», — добавил Элимелех. Следующим шагом станет оптимизация мембран для промышленного масштабирования, что приблизит переход к «зелёной» энергетике будущего.