春华秋实
一、 【导读】
面对全球日益增长的锂资源需求，储量巨大的海水被视为未来的“液态锂矿”。然而，海水中极低的锂浓度和高度的钠锂比，对提锂材料与技术提出了更高的要求。近期，联合香港城市大学吕坚院士、太原理工大学王美玲与新加坡国立大学Swee Ching Tan（陈瑞深）团队合作在Nature Communications期刊发表题为“Adsorption-responsive bionic photothermal ion pump for reversible seawater lithium extraction”的研究论文。
该技术通过原位交联-离子交换策略，将吸附材料—氢锰氧化物（HMO）均匀锁定于互穿网络水凝胶中，形成稳定高效的复合结构。其特有的吸附响应溶胀行为能够暴露更多HMO吸附位点，使其对Li+的吸附容量高达34 mg g-1 HMO，性能甚至优于原始HMO粉末。此外，水凝胶中独特的低自由水特性以及聚合物链对锰离子的选择性螯合作用，可以抑制锰的溶解流失，保障了循环使用的稳定性。在阳光照射下，蒸发对流与光热效应的协同作用，使锂离子提取动力学速率提升2.9倍。本研究成功攻克了粉末吸附材料在实际应用中性能衰减与溶解流失的难题，为可持续锂资源开采开辟了一条崭新的仿生路径，在推动清洁能源转型与实现可持续发展目标方面展现出巨大潜力。
二、【成果掠影】
本研究成功开发了类合欢树（图1a）的吸附响应型光热离子泵（APIP）。通过原位交联与离子交换策略，将氢锰氧化物（HMO）均匀限域在互穿网络水凝胶中（图1b），构建出稳定性优异的复合结构，实现了高达34 mg g⁻¹ HMO的锂提取容量（图2e, 2g, 3e）。该系统的独特优势在于其仿生智能特性—在吸附锂离子时能发生动态溶胀（图3c），持续暴露更多隐藏吸附位点，形成“越吸附越溶胀，越溶胀越吸附”的正反馈循环。同时，系统通过水凝胶的低自由水特性和聚合物链对锰离子的选择性螯合作用（图3b）抑制锰溶解。在能源利用方面，APIP巧妙利用太阳能驱动，通过光热效应产生的蒸发对流局部浓缩锂离子（图3f–h）并将提取动力学提升2.9倍（图2e, 2f），实现了近乎零能耗的高效运行，同时兼具淡水生产能力（图2i）。户外实验验证了其在真实海水环境中的可靠性，评估显示从澳大利亚珀斯到中国天津等不同纬度地区都具备良好应用潜力（图4a）。该技术对锂离子具有高选择性，在极高钠锂比的海水与盐湖环境中均展现出显著优势（图4b），最终形成了一个集智能响应、高效吸附、稳定循环与能源协同于一体的完整技术系统，为可持续锂资源供给提供了创新解决方案，并具备多路径资源化利用海水的潜力（图4c）。
三、【核心创新点】
本文核心的创新在于受合欢树启发，设计并构建了一种集多种仿生功能于一体的“吸附响应型光热离子泵（APIP）”，实现了HMO的均匀限域与稳定集成。通过一种创新的原位交联与离子交换策略，将氢锰氧化物（HMO）均匀地、稳固地集成在互穿网络水凝胶（PPH）中，形成了HMO@PPH复合结构。这一结构从根本上解决了粉末状HMO在成型过程中容易团聚、导致吸附性能下降的问题，为高效吸附提供了基础。复合水凝胶形成了“吸附-溶胀”正反馈循环。APIP模仿合欢花遇光绽放的行为，具备独特的吸附响应溶胀特性。在吸附锂离子后，材料会自发膨胀，从而动态地暴露出更多的隐藏吸附位点。这形成了一个“越吸附，越溶胀；越溶胀，越吸附”的正反馈循环，使其最终对锂离子的提取容量超过了原始HMO粉末，突破了传统吸附材料的性能上限。APIP充分利用太阳能，不仅通过光热效应产生蒸发对流，局部浓缩锂离子，加快了传质过程；还利用产生的热能进一步提升吸附动力学。在太阳光照射下，其锂离子提取动力学速率提升了2.9倍，实现了近乎零额外能耗的高效提取，并同时具备淡水生产的能力。
四、【数据概览】
图1 APIP的设计灵感。a合欢花数码照片。b模仿合欢树离子泵和蒸腾过程的APIP增强Li+提取示意图。c模仿合欢花光热响应行为的APIP增强和稳定Li+提取示意图
图2 太阳能驱动海水淡化和Li⁺提取性能。a HMO@PPH在模拟海水中浸泡0小时和48小时后的数码照片和SEM图像。b HMO@PPH的紫外-可见-近红外光谱。c 不同太阳通量下APIP的数码照片和红外照片。d 不同太阳通量下APIP的质量随时间的变化。e 在1个太阳光照或黑暗条件下，不同持续时间APIP的Li⁺提取容量（Qe）。f 对应于不同太阳通量和Li⁺提取时间的增强因子（EF）。g在1个太阳光照下，APIP在不同真实海水样品中的Li⁺提取容量（Qe）。h 在1个太阳光照下的循环Li⁺提取容量（Qe）。误差棒代表三次测量的标准差。i 为期一天的户外实验中APIP的产水率（WPR）和Li⁺提取容量（Qe）
图3 Li+提取增强机制。a 黑暗条件下的Li+提取容量（Qₑ）比较。初始条件：298 K，pH = 10，Li+溶液浓度为25 ppm。b LMO（或HMO）与PPH之间的差分电荷和结合能。c 通过溶胀过程增强锂吸附的示意图（左），以及具有不同溶胀特性的HMO@PPH通道中模拟的Li+分布（右）。d 基于水凝胶重量的HMO@PPH的Li⁺提取容量（Qe）。e 基于HMO重量的HMO@PPH的Li⁺提取容量（Qe）。水平虚线是HMO粉末的Li⁺吸附容量。f 通过COMSOL软件模拟的不同条件下APIP中的Li⁺分布：（I）在黑暗中，（II）在1个太阳光照下。g 通过COMSOL软件获得的APIP中不同位置的理论增强因子（TEF）。h 通过COMSOL软件获得的在不同太阳通量下APIP的理论Li⁺吸附浓度。虚线指APIP的Li⁺饱和吸附浓度。
图4 APIP的兼容性和应用前景。a 全球各地APIP的预测日水产率和Li⁺提取容量。b 不同技术从盐湖/海水中提Li+的比较：进料溶液中Na⁺和Li⁺的摩尔比和能耗。c 基于界面蒸发技术的海水资源利用路径。
五、【成果启示】
该研究提出的吸附响应型仿生光热离子泵（APIP），为海水提锂及资源高效利用带来多维度启示。本研究以合欢树为仿生原型，通过原位交联-离子交换策略实现HMO在互穿网络水凝胶中的均匀分布，既解决了传统锂离子筛造粒后性能衰减与溶出损耗问题，又凭借吸附响应溶胀特性暴露更多吸附位点，使Li+吸附容量甚至超越HMO粉末，为低浓度、高钠锂比的海水提锂提供了高效材料方案。这形成了一个“越吸附，越溶胀；越溶胀，越吸附”的正反馈循环。在能源利用层面，APIP借助光热效应与蒸发对流，使Li+提取动力学提升2.9倍，且户外实验中在太阳能驱动下实现稳定提锂与净水联产，展现出零额外能耗、可持续的技术优势，契合全球能源转型对绿色工艺的需求。从应用拓展而言，APIP不仅在不同海域、盐湖环境中表现出高选择性与循环稳定性，还可与太阳能结晶池、铀提取技术等结合，构建海水资源梯级回收体系，为解决水资源短缺与关键矿产提取提供新思路。
