基于锂离子筛（LIS）的海水提锂策略为缓解全球锂资源供应挑战提供了新思路。尽管如此，该技术在实际推广中仍存在若干瓶颈，例如离子吸附动力学较差、活性组分易溶蚀等。同时，LIS材料在经过造粒成型后，其吸附能力往往会大幅衰减。这些因素使得研发兼具高效率、高稳定性与环境友好性的提锂方法，成为实现海水锂资源规模化开发的关键。
为解决这些难题，由香港城市大学吕坚院士、新加坡国立大学Tan Swee Ching教授及太原理工大学王美玲等人组成的研究团队，从合欢花的特性中获得灵感，成功开发出一种吸附响应式光热离子泵（APIP）。该离子泵能够实现锂离子的可逆式捕获与释放。其独特的吸附响应型溶胀机制，可动态增加内部的锂结合位点，从而使锂吸附容量提升至34 mg g?1 HMO，这一数值甚至超过了原始的HMO粉末材料。同时，该结构所具有的低自由水特性，以及聚合物网络对Mn2?的选择性固定作用，共同有效抑制了HMO的溶出损耗。综上所述，APIP成功突破了粉末状锂离子筛在宏观应用中的主要障碍，为可持续开发和利用海水资源提供了全新的技术路径。
该工作近期以“Adsorption-responsive bionic photothermal ion pump for reversible seawater lithium extraction”为题发表于《Nature Communications》。香港城市大学吕坚院士，新加坡国立大学Tan Swee Ching教授和太原理工王美玲教授为论文共同通讯作者。Zhen Yu博士和Zhengyi Mao博士为本文共同第一作者。本研究在吕坚院士团队前期开发的太阳能驱动的水电联产技术基础上，将研究主线拓展至太阳能驱动的非碳能源或资源提取领域，并致力于在未来构建一个覆盖多种海水及盐湖资源综合利用的技术体系。
海水中蕴含的锂资源总量超过2300亿吨，约为陆地锂储量的2000倍，这使其成为一个极具开发潜力的战略性锂补给库。海水提锂技术有望成为应对未来锂供应短缺的关键方案，并可能推动行业技术标准的革新。尽管针对高浓度盐湖的提锂技术已取得显著进展，但海水提锂仍面临两大核心难题：一是锂离子浓度极低（不足0.2 mg/L），二是极高的钠锂比（约19,000:1），这给选择性提取带来了巨大困难。目前，基于锂离子筛（LIS）的吸附法已被广泛研究，但该方法在实际应用中仍存在明显局限，包括吸附速率较慢、LIS溶出率较高，以及材料造粒后吸附性能大幅衰减等问题。正因如此，开发兼具高效率、高稳定性和环境友好性的新一代提锂技术，已成为推动海水锂资源走向规模化开发利用的迫切需求。
合欢花作为一种典型的超富集植物，能够借助其特有的离子泵与蒸腾作用，选择性吸收土壤中的目标金属离子（如镉、锌等），并将其转运至细胞内，形成“拟浓度梯度”。此外，该植物的花朵还具有明显的光热响应特性：在光照条件下开放，无光时闭合。这种光照驱动的开花行为有助于增强其与外界环境的物质交换效率。受此启发，研究团队设计出一种吸附响应型仿生光热离子泵（APIP），该系统可在太阳光照下实现可逆且高效的锂提取。APIP采用原位交联与离子交换策略，将互穿水凝胶网络与锂离子筛（HMO）进行一体化集成，从而实现了HMO在整体结构中的均匀分布。通过模拟植物蒸腾作用，APIP依赖光热蒸发加速锂的富集过程。与此同时，锂离子作为特异性吸附目标被APIP自发捕获。更为独特的是，APIP具备吸附响应性溶胀能力，可模拟合欢花的光热响应行为：在吸附过程中材料逐渐膨胀，暴露出更多活性位点，从而展现出优于HMO粉末的锂提取性能。吸附饱和后，APIP可通过酸洗实现再生。得益于材料内部游离水含量较低，以及聚合物链对Mn2?的选择性螯合作用，锰的溶出被有效抑制，其溶损率远低于HMO粉末。在上述多重机制的协同作用下，APIP成功克服了传统粉末状锂离子筛的吸附性能限制。
图1 APIP的仿生设计灵感
首先，研究人员测试了APIP的蒸发性能。随着光照强度从0.5 sun增强到1.5 sun，APIP的蒸发速率呈现出明显的上升趋势，从1.03 kg m-2 h-1提高至4.42 kg m-2 h-1。随后，研究人员测试了APIP的提锂性能。与黑暗环境相比，光照条件明显改善了APIP的锂提取动力学性能。为准确评估太阳辐照对提锂过程的强化效果，研究团队引入了增强因子（EF）进行量化分析。测试结果显示，在2小时的持续光照过程中，随着光照强度从0 sun增加至1.5 sun，相应的EF值也从1稳步上升至4.6。在户外实际环境测试中，APIP展现了优异的综合性能：日产水量达到约6.6 kg m-2，锂提取量约为6.7 mg g-1 HMO。
图2 APIP的蒸发和锂提取性能
APIP展现出卓越的锂吸附能力，其吸附容量达到34 mg g-1 HMO，甚至超过了原始HMO粉末材料。该性能的提升主要源于其特有的吸附响应溶胀机制：在吸附过程中，APIP逐渐膨胀，持续暴露出更多隐藏的锂离子结合位点，从而显著增强了离子捕获效率。在实际海水环境下，传统HMO粉末易因颗粒团聚而导致性能受限；相比之下，APIP通过其独特的溶胀特性，不仅有效维持了原有的吸附能力，更实现了对粉末材料性能的超越。在材料稳定性方面，APIP通过双重机制显著抑制锰溶损现象：一方面，其内部游离水含量极低，从物理环境上限制了Mn2+的溶解扩散；另一方面，聚合物网络中的功能分子链可选择性螯合Mn2+，进一步阻止活性组分的流失。此外，APIP结合太阳能蒸发过程，进一步实现了海水中锂离子的原位富集，为持续高效的锂提取创造了有利条件。
图3 Li+提取机制分析
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-63890-5
