33岁女科学家向海水“要”稀有金属,采用全新电化学方法提取铀和锂,开辟海水采矿新领域

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33岁女科学家向海水“要”稀有金属,采用全新电化学方法提取铀和锂,开辟海水采矿新领域
麻省理工科技评论 2020-12-23

2020-12-23

“保持积极,保持创新” 似乎是刘翀的信仰,其很享受在实验中的探索过程。她直言:“不断接近真相的时候最高兴。”
35岁以下科技创新35人
“保持积极,保持创新” 似乎是刘翀的信仰,其很享受在实验中的探索过程。她直言:“不断接近真相的时候最高兴。”

“保持积极,保持创新” 似乎是刘翀的信仰,其很享受在实验中的探索过程。她直言:“不断接近真相的时候最高兴。”

而她要研究的“真相”很硬核:如何在海洋中高效提取矿物资源。

大概 10 年前,美国 PBS 电视台拍摄了一组题为《Energy e2》的纪录片,对全球经济上行下能源消耗的问题做了系列报道。该纪录片着重讨论了可再生能源、自然能源等新型能源对传统煤炭、石油、天然气等矿物质能源代替的可能性,强调让能源可持续发展以减轻对环境的破坏。

为应对人口增长带给自然环境、能源的压力,能源的结构会逐渐转向以清洁能源和核能作为主要产能方式,与电能储存和核能相关资源的提取和储备变得越来越重要。

众所周知,新型能源可以大幅降低对环境的损害,但受制于开采条件和技术手段等众多因素影响,仍然无法达到广泛普及。试想一下,如果我们能够从占据地球面积 71% 的海洋中提取到合适的矿物资源,并且对海洋生态基本没有破坏,将会为资源可持续发展创造更多的可能。

那么如何在海洋中高效提取矿物资源,成为了未来能量元素提取的关键。

芝加哥大学分子工程学院助理教授刘翀给出了解决方案,半波整流交流电化学方法(HW-ACE)提铀和脉冲电化学插层法提锂。

海水中存有大量的矿物资源,从海水中提取资源并不陌生,比如氯碱工业。但是海水中浓度较低的元素,在提取技术上存在很大的挑战。实现低浓度元素的提取,依赖新材料、新技术的开发以及对分离技术中存在的基础科学问题的研究。

“我希望我们开发的电化学方法能够在实现大规模的海水采矿的同时,能避免对海洋环境和生态造成负面影响。电化学采矿的可行性可观,可与已有的海上太阳能和风能有效结合并实现清洁能源驱动的电化学生产。” 刘翀表示。

凭借创新性的铀和锂提取方式及创新性可见光饮用水杀菌技术,刘翀也入选 《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人” 2020 年中国区榜单。

女科学家向海水“要”稀有金属,采用全新电化学方法提取铀和锂

图 | 芝加哥大学 Pritzker 分子工程学院助理教授刘翀

从海水中提取铀和锂,为新能源可持续发展提供创新解决方案

铀和锂是核能与电能储存的重要原料,它们虽然在海水中广泛存在,但提取难度高,因此目前依旧以矿石开采作为主要获取方式。

实际上,铀并不是海水的主要构成成分,相比是钠、镁、钙等主要离子元素,铀的数量级非常小,占比仅为其(钠、镁、钙等元素)百万分之一,这也增加了铀的提取难度。

刘翀告诉《麻省理工科技评论》中国,海水中低浓度元素的提取需要新材料以及新的分离技术。对此她开发了两种电化学方法从海水中提取铀和锂:半波整流交流电化学方法(HW-ACE)提铀和脉冲电化学插层法提锂。

如果采用一般恒流恒压电化学方法在水环境中提铀,那么在提取过程中电流效率会全部供给于产氢产氧,相当于在电解水,根本无法提取到铀。

采用半波整流电化学方法,通过限制电子传输到电极的时间,在产氢反应发生之前竞争铀的分离时间,完成电化学沉积,从而实现铀的提取过程。

半波整流交流电化学方法还能有效减少副反应,提取铀的容量比传统吸附高 9 倍,动力学速度快 4 倍。

通过半波整流交流电化学方法提取的铀氧化物还需要进行同位素分离,并在后期不断提纯,从而达到核能、电能的元素使用标准。

女科学家向海水“要”稀有金属,采用全新电化学方法提取铀和锂

图 | Nature Energy 收录了刘翀关于海水中提取铀元素的研究

与铀相比,锂元素在海水中较为常见,数量级与钠仅差了几万。锂与钠的化学性质相似,这也造成了锂提取过程中与钠竞争的复杂性。

此前业内有通过电化学方法从盐湖中提取锂的案例,但刘翀在浓度更低的海水中做锂提取还是首次。

为了抑制与化学上相似钠离子的竞争,刘翀开创了脉冲电化学插层法提锂。该方法中的静止时间允许离子重新分布,而反向电流能去除了晶格中的钠,极大改善了电极材料的选择性和稳定性。

女科学家向海水“要”稀有金属,采用全新电化学方法提取铀和锂

图 | 刘翀发表的《用电化学方式在海水中提锂》研究被收录在 Joule 期刊中

这两项工作实现了从海水直接以固体形态提取铀和锂,为以新能源为驱动力的可持续资源开发提供了创新解决方案。

同时,这两项研究开创了一个全新的领域,为电化学在海水采矿领域的应用及发展奠定了基石。

抓住关键 “电子”,用电化学技术改造传统化工产业

“不再把电子当作能量的介质,同时把电子作为合成的原料。” 这是刘翀在电化学海水采矿实验中的收获。

她认为:“从可持续发展的要求来看,风能、太阳能等自然能源会成为未来主力,但是这一类清洁能源我们无法真正抓住它,但我们能抓住中间的‘电子’,用电化学的方式改造传统化工生产工艺。”

目前电化学在能源领域的尝试也有很多,包括电化学开采、电催化合成,刘翀认为电化学领域的研究也是未来行业发展的必要方向。

化工产业与环境问题、未来可持续发展息息相关。“如果电化学技术能够应用到更广泛的物质元素提取中,取代一部分现有资源获取方式,将能够极大缓解环境的压力。” 刘翀补充道。

目前的两项电化学海水元素提取技术研究还只是个开端,真正能够落地实践还要面临很多挑战。

“我们将针对更多的元素设计材料以及电化学方法。为电化学海水采矿设计一个新的流水线,最大化的利用海水中的矿物资源。” 刘翀认为,未来 5-10 年通过电化学在海水采矿领域将会有很大的改进。

创新可见光饮用水杀菌技术,20 分钟可灭 99.99% 细菌

基于对环境和可持续发展的长久关注,刘翀读博期间还利用新型二维材料硫化钼实现可见光催化快速饮用水杀菌。与其他基于光的净化方案不同,这一方法可以在可见光而非紫外线下工作,并能在 20 分钟内能够实现 99.999% 的灭菌效果。

二硫化钼是在电产氢产氧过程中发现的一个非贵金属高效催化剂,刘翀洞察到如果将二硫化钼与水反应,能够有效的吸收光转化成电子电洞即会产生自由基,自由基具有强氧化性,可以与水里细菌的细胞膜和细胞器发生反应,进而杀掉细菌,达到灭菌效果。

该项水净化技术,为全球约 8 亿处于水资源紧缺的地区人们提供新的分布式净水方案。

此外,光催化水消毒研究入围了 2017 年 BBC 食品和农业奖的 “全球冠军” 。刘翀的研究项目也被收录了 Nature Nanotechnology 等杂志上。

女科学家向海水“要”稀有金属,采用全新电化学方法提取铀和锂

图 | 刘翀发表关于可见光饮用水杀菌相关研究

不断接近真相的时候最高兴

对真相的着迷始终伴随着刘翀,让她一直保持着乐观、积极的研究态度。刘翀很感激自己的博士导师崔屹教授,读博期间知识储备无论是从广度还是深度都得到了延申,这是刘翀最大的收获。

崔屹教授对刘翀也给予了很高的评价,他认为刘翀是环境纳米技术(水和空气)领域的明星和顶级创新者。“刘翀在环境技术领域展现出惊人的创新能力,让她当之无愧入围《麻省理工科技评论》科技创新 35 人榜单。”

外界评价刘翀都离不开 “创新” 二字,对此刘翀自己解释是因为 “比较幸运”。她坦言,因为博士期间跟着导师让她接触到各种各样的研究,很多自身领域的研究灵感都受到其他组的实验启发。“用专业研究拓展自己领域的深度,跨领域的学习拓展知识的广度,你懂得知道的东西越多,你的想象力会就会受到启发会更多。” 刘翀总结道。

2018 年刘翀加入芝加哥大学并获得 Neubauer Family 荣誉助理教授。截至目前她共发表 SCI 论文 40 余篇,H 指数 26,总引用数 > 4500,获得 6 项美国专利。她所研究的课题也得到了美国能源部的支持。

如今刘翀也开始自己带研究组、教学、带实验,比此前单纯的搞科研时忙得多,但她仍然保持着积极的态度。目前,刘翀团队的研究主要围绕电化学分离、电化学催化等方向,除海水采矿外,膜技术也在团队实验中,该技术将有望应用在海水淡化领域,她希望通过构建一些新型二维材料通道,通过对通道的调节提高对离子和水分子的选择性,加速其流通性。

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