锂离子筛（LIS）海水提锂为缓解锂资源短缺提供了新方向，但其在应用中仍存在吸附速率慢、材料易溶损等限制。尤其是造粒处理后，LIS的吸附性能常明显下降。因此，亟需构建高效、稳定、环境友好的提锂体系，以推动海水锂资源的大规模利用。针对上述难题，香港城市大学吕坚院士团队联合新加坡国立大学Tan Swee Ching教授及太原理工大学王美玲教授，研发了一种受合欢花结构启发的吸附响应光热离子泵（APIP），可实现可逆海水提锂。该材料在吸附过程中会产生溶胀响应并暴露更多锂吸附位点，使Li⁺提取量达34 mg g⁻¹ HMO，性能优于传统HMO粉体。同时，低自由水含量及聚合物链对Mn²⁺的选择性螯合作用显著降低了材料溶损。APIP的提出突破了粉末型LIS规模化应用的瓶颈，为海水锂提取与可持续资源开发提供了新的解决思路。
该工作近期以“Adsorption-responsive bionic photothermal ion pump for reversible seawater lithium extraction”为题，于2025年10月在线发表于《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。
【文章解读】
全球锂需求的快速增长，特别是新能源和储能产业的扩张，正对锂资源供应形成巨大压力。以电动汽车为例，预计到2050年，仅该领域的锂需求量就将达到约1800万吨，而全球经济可采锂储量仅约1.15亿吨，供需矛盾日益突出。这一差距凸显了发展新型锂提取技术的必要性。海水中约含有2300亿吨锂，储量是陆地资源的数千倍，被视为最具潜力的替代来源之一。海水提锂作为一种新兴途径，有望在未来缓解锂供应紧张并推动产业结构转型。尽管针对盐湖提锂的技术不断进步，但海水中锂含量极低（<0.2 mg/L）且钠锂比高达约1.9×104，仍对分离提取带来严峻挑战。目前，锂离子筛（LIS）是最常用的盐湖提锂材料，但其在实际应用中存在吸附速率慢、材料易溶损等问题。更为关键的是，造粒处理后LIS的吸附性能往往显著下降。由此，研发兼具高效、稳定与环境友好的新型提锂体系，成为实现海水锂资源规模化利用的关键突破方向。
合欢花是一种典型的超积累植物，能够通过离子泵与蒸腾流协同作用，将土壤中特定金属离子吸收并富集于细胞内，形成“伪浓度梯度”。随着生长过程的进行，这些金属离子（如镉、锌等）在合欢内不断积累，其含量远高于环境背景值，而其他离子保持相对稳定。除此之外，合欢花还具有显著的光热响应特性：在光照下花朵绽放，阴暗环境中则闭合（图1a），从而调控与外界的物质交换过程。
受此仿生机制启发，研究团队设计了一种吸附响应型光热离子泵（APIP），用于在太阳光照下实现可逆增强的锂提取（图1b）。该系统通过原位交联与离子交换工艺，将互穿水凝胶网络与HMO紧密结合，确保HMO在材料中均匀分布。APIP通过模拟植物蒸腾作用，利用蒸发诱导的流体迁移实现锂离子的高效富集（图1b-I），并自发吸附Li+（图1b-II）。此外，材料在吸附过程中表现出明显的溶胀响应，暴露出更多活性位点（图1c-I），使其提锂性能优于HMO粉末。完成吸附后，APIP可通过酸洗实现再生。由于其内部自由水含量低，且聚合物链可螯合Mn2+，显著降低了锰的溶出风险，溶损率远低于传统HMO粉体（图1c-II）。通过上述协同机制，APIP有效突破了传统锂离子筛粉末在吸附与稳定性方面的限制，为高效、可再生的海水提锂提供了新思路。
图1 APIP的仿生设计
在1 sun下，APIP的蒸发速率可达约2.22 kg m−2 h−1。随着太阳通量由0.5 sun升至1.5 sun，其稳态温度由29.1 °C增至45.1 °C，蒸发速率同步提升至约4.42 kg m−2 h−1。与无光环境相比，光照显著加速了APIP的锂离子提取过程，其中在1 sun条件下的提取速率较暗态提升约2.9倍。为量化光照对提锂行为的促进作用，研究者引入增强因子（EF）作为评价指标。结果表明，当光照时间为2 h且太阳通量从0增至1.5 sun时，EF值由1增至4.6。在连续运行60 h后，APIP在多种海水样品中均表现出稳定的Li⁺提取能力，其中在渤海样品中达到最高提取量，约为32.6 mg g−1 HMO（图2g），这与该地区较高的锂含量相关。经过7次循环实验，材料仍维持约34 mg g-1 HMO的提取容量（图2h），表现出优异的循环稳定性。此外，在香港城市大学进行的户外测试中（使用深圳湾海水），APIP实现了约6.6 kg m−2的产水速率及约6.7 mg g−1 HMO的Li⁺提取性能。
图2 APIP的蒸发性能和锂提取性能
APIP优异的Li+提取性能主要源于以下几个方面：（1）HMO的均匀分布。通过原位置换法使HMO在体系中充分分散，确保了活性位点的有效利用；（2）吸附响应型溶胀效应。在提锂过程中，APIP会逐步膨胀，暴露出更多吸附位点，从而显著提升吸附效率。相较之下，HMO粉末在海水中易发生团聚，难以充分发挥吸附能力，而APIP则保持甚至超过粉末材料的提锂性能；（3）低溶损特性。APIP结构设计合理，一方面内部自由水含量较低，可有效抑制Mn2+溶出；另一方面，聚合物链能够选择性螯合Mn2+，进一步防止HMO流失；（4）光热蒸发驱动的富集效应。太阳能蒸发过程增强了溶液中Li+浓度梯度，从而促进其快速富集与高效分离。
图3 Li+提取机制分析
