革命性超薄黏土膜技術 低成本提取鋰元素解鎖新能源未來

作為元素週期表上最輕的金屬，鋰已成為現代生活中不可或缺的關鍵材料。其輕量化特性與高能量密度，讓鋰在電動車、智慧型手機、筆記型電腦及軍事科技等需要斤斤計重的領域大放異彩。隨著全球鋰需求暴增，供應鏈穩定性問題也日益受到關注。

為因應飆升的市場需求與可能的供應鏈危機，美國能源部所屬的阿貢國家實驗室科學家團隊，成功開發出一項突破性薄膜技術，能高效從水中提取鋰元素。部分研究成員同時任職於芝加哥大學普利茲克分子工程學院，這項研究成果已發表於頂尖期刊《先進材料》。

阿貢實驗室先進能源技術部門首席科技官Seth Darling表示：「我們研發的新型薄膜技術，為本土鋰資源開發提供了一個低成本且儲量豐富的替代方案。」Darling同時兼任AMEWS能源前沿研究中心主任，也是普利茲克分子工程學院的資深科學家。

目前全球鋰資源主要來自少數國家的硬巖開採與鹽湖提取，供應鏈極易受地緣政治影響。然而事實上，地球上絕大多數的鋰元素都溶解在海水與地下鹵水層中。

關鍵在於，傳統提取技術面臨三大困境：成本過高、耗能驚人且效率不彰。既有方法難以有效將鋰與其他更為豐富的元素（如鈉和鎂）分離。在鹵水環境中，鋰與其他元素以陽離子形態存在，這些失去電子的原子帶有正電荷。高效提取的技術核心，在於能同時根據離子尺寸與電荷強度進行過濾篩選。

研究團隊開發的革命性薄膜提供了極具成本優勢的解決方案。該薄膜採用蛭石黏土製成，這種天然礦物每噸僅需約350美元。團隊創新地將黏土剝離成僅十億分之一公尺厚的超薄層，再重新堆疊形成過濾結構。這種奈米級薄膜被歸類為二維材料。

但研發過程遇到重大挑戰：未經處理的黏土層因親水性過強，在水中半小時內就會分解。為解決此問題，研究人員在黏土層間植入微型氧化鋁支柱，結構宛如興建中的立體停車場——無數堅固支柱穩固支撐每個「樓層」。這種特殊設計不僅防止結構崩塌，更能中和薄膜表面的負電荷，為後續改良奠定關鍵基礎。

研究團隊接著在薄膜中注入鈉陽離子，這些離子環繞氧化鋁支柱分佈，使薄膜表面電荷由中性轉為正電。在水中，鎂離子與鋰離子雖都帶正電，但鎂離子電荷更高（+2價 vs 鋰離子+1價）。薄膜的正電表面對高電荷鎂離子產生更強排斥力，從而實現選擇性捕捉鋰離子的效果。

為進一步提升效能，團隊增加更多鈉離子以縮小薄膜孔隙。此舉讓較小的鈉、鉀離子得以透過，同時攔截體積較大的鋰離子。AMEWS團隊成員、芝加哥大學博士候選人劉怡寧（音譯）指出：「我們的薄膜能同時依據離子尺寸與電荷進行篩選，大幅提升從水中提取鋰的效率。這項技術不僅能降低對進口鋰的依賴，更開啟了開發非傳統鋰資源的可能性。」

研究人員認為這項突破性技術將有更廣泛的應用前景，從回收鎳、鈷、稀土等關鍵元素，到去除飲用水中的有害汙染物。劉怡寧補充道：「這類黏土材料種類繁多，我們正探索如何運用它們從海水、鹽湖鹵水中採集戰略物資，甚至應用於飲用水淨化領域。」

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