基于鋰離子篩（LIS）的海水提鋰策略為緩解全球鋰資源供應挑戰提供了新思路。盡管如此，該技術在實際推廣中仍存在若干瓶頸，例如離子吸附動力學較差、活性組分易溶蝕等。同時，LIS材料在經過造粒成型后，其吸附能力往往會大幅衰減。這些因素使得研發兼具高效率、高穩定性與環境友好性的提鋰方法，成為實現海水鋰資源規模化開發的關鍵。
為解決這些難題，由香港城市大學呂堅院士、新加坡國立大學Tan Swee Ching教授及太原理工大學王美玲等人組成的研究團隊，從合歡花的特性中獲得靈感，成功開發出一種吸附響應式光熱離子泵（APIP）。該離子泵能夠實現鋰離子的可逆式捕獲與釋放。其獨特的吸附響應型溶脹機制，可動態增加內部的鋰結合位點，從而使鋰吸附容量提升至34 mg g?1 HMO，這一數值甚至超過了原始的HMO粉末材料。同時，該結構所具有的低自由水特性，以及聚合物網絡對Mn2?的選擇性固定作用，共同有效抑制了HMO的溶出損耗。綜上所述，APIP成功突破了粉末狀鋰離子篩在宏觀應用中的主要障礙，為可持續開發和利用海水資源提供了全新的技術路徑。
該工作近期以“Adsorption-responsive bionic photothermal ion pump for reversible seawater lithium extraction”為題發表于《Nature Communications》。香港城市大學呂堅院士，新加坡國立大學Tan Swee Ching教授和太原理工王美玲教授為論文共同通訊作者。Zhen Yu博士和Zhengyi Mao博士為本文共同第一作者。本研究在呂堅院士團隊前期開發的太陽能驅動的水電聯產技術基礎上，將研究主線拓展至太陽能驅動的非碳能源或資源提取領域，并致力于在未來構建一個覆蓋多種海水及鹽湖資源綜合利用的技術體系。
海水中蘊含的鋰資源總量超過2300億噸，約為陸地鋰儲量的2000倍，這使其成為一個極具開發潛力的戰略性鋰補給庫。海水提鋰技術有望成為應對未來鋰供應短缺的關鍵方案，并可能推動行業技術標準的革新。盡管針對高濃度鹽湖的提鋰技術已取得顯著進展，但海水提鋰仍面臨兩大核心難題：一是鋰離子濃度極低（不足0.2 mg/L），二是極高的鈉鋰比（約19,000:1），這給選擇性提取帶來了巨大困難。目前，基于鋰離子篩（LIS）的吸附法已被廣泛研究，但該方法在實際應用中仍存在明顯局限，包括吸附速率較慢、LIS溶出率較高，以及材料造粒后吸附性能大幅衰減等問題。正因如此，開發兼具高效率、高穩定性和環境友好性的新一代提鋰技術，已成為推動海水鋰資源走向規模化開發利用的迫切需求。
合歡花作為一種典型的超富集植物，能夠借助其特有的離子泵與蒸騰作用，選擇性吸收土壤中的目標金屬離子（如鎘、鋅等），并將其轉運至細胞內，形成“擬濃度梯度”。此外，該植物的花朵還具有明顯的光熱響應特性：在光照條件下開放，無光時閉合。這種光照驅動的開花行為有助于增強其與外界環境的物質交換效率。受此啟發，研究團隊設計出一種吸附響應型仿生光熱離子泵（APIP），該系統可在太陽光照下實現可逆且高效的鋰提取。APIP采用原位交聯與離子交換策略，將互穿水凝膠網絡與鋰離子篩（HMO）進行一體化集成，從而實現了HMO在整體結構中的均勻分布。通過模擬植物蒸騰作用，APIP依賴光熱蒸發加速鋰的富集過程。與此同時，鋰離子作為特異性吸附目標被APIP自發捕獲。更為獨特的是，APIP具備吸附響應性溶脹能力，可模擬合歡花的光熱響應行為：在吸附過程中材料逐漸膨脹，暴露出更多活性位點，從而展現出優于HMO粉末的鋰提取性能。吸附飽和后，APIP可通過酸洗實現再生。得益于材料內部游離水含量較低，以及聚合物鏈對Mn2?的選擇性螯合作用，錳的溶出被有效抑制，其溶損率遠低于HMO粉末。在上述多重機制的協同作用下，APIP成功克服了傳統粉末狀鋰離子篩的吸附性能限制。
圖1 APIP的仿生設計靈感
首先，研究人員測試了APIP的蒸發性能。隨著光照強度從0.5 sun增強到1.5 sun，APIP的蒸發速率呈現出明顯的上升趨勢，從1.03 kg m-2 h-1提高至4.42 kg m-2 h-1。隨后，研究人員測試了APIP的提鋰性能。與黑暗環境相比，光照條件明顯改善了APIP的鋰提取動力學性能。為準確評估太陽輻照對提鋰過程的強化效果，研究團隊引入了增強因子（EF）進行量化分析。測試結果顯示，在2小時的持續光照過程中，隨著光照強度從0 sun增加至1.5 sun，相應的EF值也從1穩步上升至4.6。在戶外實際環境測試中，APIP展現了優異的綜合性能：日產水量達到約6.6 kg m-2，鋰提取量約為6.7 mg g-1 HMO。
圖2 APIP的蒸發和鋰提取性能
APIP展現出卓越的鋰吸附能力，其吸附容量達到34 mg g-1 HMO，甚至超過了原始HMO粉末材料。該性能的提升主要源于其特有的吸附響應溶脹機制：在吸附過程中，APIP逐漸膨脹，持續暴露出更多隱藏的鋰離子結合位點，從而顯著增強了離子捕獲效率。在實際海水環境下，傳統HMO粉末易因顆粒團聚而導致性能受限；相比之下，APIP通過其獨特的溶脹特性，不僅有效維持了原有的吸附能力，更實現了對粉末材料性能的超越。在材料穩定性方面，APIP通過雙重機制顯著抑制錳溶損現象：一方面，其內部游離水含量極低，從物理環境上限制了Mn2+的溶解擴散；另一方面，聚合物網絡中的功能分子鏈可選擇性螯合Mn2+，進一步阻止活性組分的流失。此外，APIP結合太陽能蒸發過程，進一步實現了海水中鋰離子的原位富集，為持續高效的鋰提取創造了有利條件。
圖3 Li+提取機制分析
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-63890-5
