南大研究团队Science发文！清洁能源提取关键资源
南京大学朱嘉教授、陈骏院士与合作者在盐湖锂资源绿色开发领域取得重要突破。该工作通过仿生盐土植物的“选择性吸收-储存-释放”机制，成功开发界面光热盐湖提锂技术。该技术利用界面光热蒸腾效应，强化纳米通道传质并驱动高精度离子分离，实现了高选择性、低能耗、低碳排放的太阳能盐湖提锂。这一技术有望推动我国青藏盐湖锂资源的绿色开发，减少对进口锂矿的依赖，保障战略性关键金属锂的安全供给。相关研究成果以“Solar transpiration-powered lithium extraction and storage”为题，于2024年9月27日发表于Science 期刊。
锂作为全球能源转 型中的战略性关 键金属，广泛应用于电动汽车电池和可再生能源储能系统。盐湖型锂矿是全球锂资源的重要来源，以我国为例，青藏高原拥有极其丰富的盐湖资源蕴藏着巨大的锂矿储量。然而，由于复杂的盐湖化学条件和极高的环境保护要求，至今难以大规模开采利用，成为我国锂矿开采的 “卡脖子” 难题。因此，发展绿色、环保、可持续的盐湖提锂新技术，是破解这一难题的关键，具有重要的经济社会价值和战略意义。
自然界中的许多生命系统，例如盐生植物，具备高效提取特定物质的能力。盐生植物能够利用蒸腾作用，从盐碱环境中选择性吸收盐分和水分，并通过特定器官储存和排出体内多余的盐分。这种“选择性吸收-储存-释放”机制，使盐生植物能够在极端盐碱环境中维持正常的新陈代谢和生长，也为开发高效、可持续的盐湖锂资源提取技术提供了重要的仿生学启示。
受此启发，南京大学研究团队成功开发了界面光热盐湖提锂装置（STLES）。其结构和工作原理如图1所示，主要包括三部分：（1）界面光热蒸腾作用在蒸发器纳米通道（图1C）内产生超高毛细压强；（2）该毛细压强传递至离子分离层（图1E），驱动锂离子选择性从盐水进入储存层；（3）通过水循环系统收集储存层（图1D）中富集的锂盐，并实现装置再生。
研究团队搭建了界面光热盐湖提锂平台（图2A-2C），对其盐湖提锂性能进行了全面评估（图2D-2E），并测试了该装置在盐湖卤水中的提锂效果，结果表明该平台能够高效地从稀释的盐湖卤水中提取锂（图2F）。得益于其可再生能力，装置在528小时的连续运行中表现出了优异的稳定性（图2G），从而展示了其在长期应用中的巨大潜力。
此外，界面光热盐湖提锂装置还具有良好的兼容性和可扩展性。通过优化离子分离层，单级装置的锂选择性提升了6倍；通过多级提锂工艺，锂选择性可提升近40倍。模块化设计赋予该系统良好的扩展能力，锂产量随模块数量线性增长，充分展示了其在大规模应用中的潜力。
界面光热盐湖提锂技术充分利用清洁、充沛的太阳能，有效提取盐湖中的关键锂资源。这项关键技术的研发成功有望提供一条解决路径，改变我国锂矿资源大量依赖进口的局面。
南京大学为第一完成单位，特任副研究员宋琰与博士研究生方诗琦为论文的共同第一作者，南京大学朱嘉教授与加州大学米宝霞教授为论文共同通讯作者，陈骏院士对该工作进行了深入指导。该工作得到了南京大学徐凝副教授、美国加州大学王墨农博士等的支持；也得到了国家自然科学基金委、科技部重点研发计划、新基石科学基金会科学探索奖等项目的资助；南京大学固体微结构物理国家重点实验室、关键地球物质循环教育部前沿科学中心和人工微结构科学与技术协同创新中心对该项研究工作给予了重要支持。
交大最新Nature，解决这一关键科学问题！
近日，上海交通大学环境科学与工程学院赵一新教授团队在Nature发表了题为“Impurity-healing interface engineering for efficient perovskite submodules”的研究论文。该工作设计开发了一种杂质修复的界面工程新策略，解决了工业化大规模制备钙钛矿模组中面临的大面积引发杂质累积效应的关键科学问题，并和宁德时代21C创新实验室合作，成功实现了光电转换效率超过22%的30 cm × 30 cm大尺寸高性能钙钛矿光伏模组。
光伏领域广泛使用的晶硅具有单一组分的特点，由小面积单晶器件组装的单晶硅电池在组件放大过程中效率基本保持不变。而具有大面积模组整体一次性制备优势的多元组分薄膜太阳能电池（如铜铟镓硒（CIGS）），长期面临组件成品率低和大面积效率低的困扰。背后的关键科学问题是多元组分太阳能电池的大面积制备难以避免局部杂质、组分偏析以及结构缺陷的累积效应，影响整体性能及成品率。作为未来光伏重要方向的钙钛矿太阳能电池也同样面临着大面积模组效率与成品率降低的难题。其中的关键原因是多元组分的钙钛矿在大面积制备的结晶过程中会出现多种类型的杂质和组分偏析，如黄相非钙钛矿、碘化铅及表界面缺陷等。该类问题在小面积器件上影响较小，且可以通过多种方法解决或避免。但是在大面积制备中，这些杂质的累积效应严重制约模组的性能提升，并且还会影响钙钛矿太阳能电池的运行稳定性，成为产业化的关键挑战之一。
图1 基于2D CHEA2PbI4的杂质修复界面工程
赵一新教授团队长期围绕钙钛矿太阳能电池，深耕和引领高效稳定钙钛矿的化学创制研究。为解决上述杂质累积效应影响大面积器件性能的问题，赵一新团队报道了一种基于环己烯基乙胺盐的低维钙钛矿CHEA2PbI4的新型杂质修复策略。不同于导电性欠佳的传统二维（2D）钙钛矿，CHEA2PbI4钙钛矿的导电性能优异。通过CHEAI界面工程处理，三维钙钛矿薄膜中的碘化铅、黄相非钙钛矿等杂质均可以完全转化为性能优秀的2D CHEA2PbI4钙钛矿。对微观结构的研究表明，CHEAI处理可以在钙钛矿薄膜表面和晶界形成有效钝化缺陷的2D CHEA2PbI4覆盖层，对钙钛矿薄膜稳定化提供优良的保障，并为高效的电荷传输提供了通道，小面积器件中的填充因子（FF）可以达到0.86的高水平。更重要的是，基于CHEAI的杂质修复界面工程具有工艺容忍性好、操作窗口宽的优势，非常适合大面积器件制备的工艺扩展，成功实现了大面积薄膜的杂质修复。
图2 杂质修复后的钙钛矿薄膜及大面积高效率模组
自2019年以来，赵一新团队和宁德时代开展了钙钛矿太阳能电池的一系列合作，致力于解决钙钛矿太阳能电池产业化过程中面临的关键科学难题。上述杂质修复的界面工程成功应用于30 cm × 30 cm大面积模组，获得了文献报道的国际领先的22.80%开口面积效率（第三方认证效率22.46%）。此项工作解决了大面积多元组分钙钛矿薄膜面临的杂质多、导电性差、均一性差等难题，为进一步提升大面积钙钛矿光伏模组性能提供了重要思路。
上海交通大学环境科学与工程学院博士生王海飞、交大与宁德时代校企联培博士生苏硕剑和陈悦天副教授为该论文的共同第一作者。上海交通大学环境科学与工程学院缪炎峰副研究员，宁德时代21C创新实验室欧阳楚英教授，环境科学与工程学院/溥渊未来技术学院未来光伏研究中心主任赵一新教授为通讯作者，上海交通大学为第一单位。该研究得到国家自然科学基金、上海市自然科学基金、上海市浦江人才计划、青山科技奖等项目的资助。
论文链接： https://www.nature.com/articles/s41586-024-08073-w
来源：南京大学、上海交通大学
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