女科學家向海水“要”稀有金屬，採用全新電化學方法提取鈾和鋰

“保持積極，保持創新” 似乎是劉翀的信仰，其很享受在實驗中的探索過程。她直言：“不斷接近真相的時候最高興。”而她要研究的“真相”很硬核：如何在海洋中高效提取礦物資源。大概 10 年前，美國 PBS 電視臺拍攝了一組題為《Energy e2》的紀錄片，對全球經濟上行下能源消耗的問題做了系列報道。該紀錄片著重討論了可再生能源、自然能源等新型能源對傳統煤炭、石油、天然氣等礦物質能源代替的可能性，強調讓能源可持續發展以減輕對環境的破壞。為應對人口增長帶給自然環境、能源的壓力，能源的結構會逐漸轉向以清潔能源和核能作為主要產能方式，與電能儲存和核能相關資源的提取和儲備變得越來越重要。眾所周知，新型能源可以大幅降低對環境的損害，但受制於開採條件和技術手段等眾多因素影響，仍然無法達到廣泛普及。試想一下，如果我們能夠從佔據地球面積 71% 的海洋中提取到合適的礦物資源，並且對海洋生態基本沒有破壞，將會為資源可持續發展創造更多的可能。那麼如何在海洋中高效提取礦物資源，成為了未來能量元素提取的關鍵。芝加哥大學分子工程學院助理教授劉翀給出瞭解決方案，半波整流交流電化學方法（HW-ACE）提鈾和脈衝電化學插層法提鋰。海水中存有大量的礦物資源，從海水中提取資源並不陌生，比如氯鹼工業。但是海水中濃度較低的元素，在提取技術上存在很大的挑戰。實現低濃度元素的提取，依賴新材料、新技術的開發以及對分離技術中存在的基礎科學問題的研究。“我希望我們開發的電化學方法能夠在實現大規模的海水採礦的同時，能避免對海洋環境和生態造成負面影響。電化學採礦的可行性可觀，可與已有的海上太陽能和風能有效結合並實現清潔能源驅動的電化學生產。” 劉翀表示。憑藉創新性的鈾和鋰提取方式及創新性可見光飲用水殺菌技術，劉翀也入選 《麻省理工科技評論》“35 歲以下科技創新 35 人” 2020 年中國區榜單。

圖 | 芝加哥大學 Pritzker 分子工程學院助理教授劉翀從海水中提取鈾和鋰，為新能源可持續發展提供創新解決方案鈾和鋰是核能與電能儲存的重要原料，它們雖然在海水中廣泛存在，但提取難度高，因此目前依舊以礦石開採作為主要獲取方式。實際上，鈾並不是海水的主要構成成分，相比是鈉、鎂、鈣等主要離子元素，鈾的數量級非常小，佔比僅為其（鈉、鎂、鈣等元素）百萬分之一，這也增加了鈾的提取難度。劉翀告訴《麻省理工科技評論》中國，海水中低濃度元素的提取需要新材料以及新的分離技術。對此她開發了兩種電化學方法從海水中提取鈾和鋰：半波整流交流電化學方法（HW-ACE）提鈾和脈衝電化學插層法提鋰。如果採用一般恆流恆壓電化學方法在水環境中提鈾，那麼在提取過程中電流效率會全部供給於產氫產氧，相當於在電解水，根本無法提取到鈾。採用半波整流電化學方法，透過限制電子傳輸到電極的時間，在產氫反應發生之前競爭鈾的分離時間，完成電化學沉積，從而實現鈾的提取過程。半波整流交流電化學方法還能有效減少副反應，提取鈾的容量比傳統吸附高 9 倍，動力學速度快 4 倍。透過半波整流交流電化學方法提取的鈾氧化物還需要進行同位素分離，並在後期不斷提純，從而達到核能、電能的元素使用標準。

圖 | Nature Energy 收錄了劉翀關於海水中提取鈾元素的研究與鈾相比，鋰元素在海水中較為常見，數量級與鈉僅差了幾萬。鋰與鈉的化學性質相似，這也造成了鋰提取過程中與鈉競爭的複雜性。此前業內有透過電化學方法從鹽湖中提取鋰的案例，但劉翀在濃度更低的海水中做鋰提取還是首次。為了抑制與化學上相似鈉離子的競爭，劉翀開創了脈衝電化學插層法提鋰。該方法中的靜止時間允許離子重新分佈，而反向電流能去除了晶格中的鈉，極大改善了電極材料的選擇性和穩定性。

圖 | 劉翀發表的《用電化學方式在海水中提鋰》研究被收錄在 Joule 期刊中這兩項工作實現了從海水直接以固體形態提取鈾和鋰，為以新能源為驅動力的可持續資源開發提供了創新解決方案。同時，這兩項研究開創了一個全新的領域，為電化學在海水採礦領域的應用及發展奠定了基石。抓住關鍵 “電子”，用電化學技術改造傳統化工產業“不再把電子當作能量的介質，同時把電子作為合成的原料。” 這是劉翀在電化學海水採礦實驗中的收穫。她認為：“從可持續發展的要求來看，風能、太陽能等自然能源會成為未來主力，但是這一類清潔能源我們無法真正抓住它，但我們能抓住中間的‘電子’，用電化學的方式改造傳統化工生產工藝。”目前電化學在能源領域的嘗試也有很多，包括電化學開採、電催化合成，劉翀認為電化學領域的研究也是未來行業發展的必要方向。化工產業與環境問題、未來可持續發展息息相關。“如果電化學技術能夠應用到更廣泛的物質元素提取中，取代一部分現有資源獲取方式，將能夠極大緩解環境的壓力。” 劉翀補充道。目前的兩項電化學海水元素提取技術研究還只是個開端，真正能夠落地實踐還要面臨很多挑戰。“我們將針對更多的元素設計材料以及電化學方法。為電化學海水採礦設計一個新的流水線，最大化的利用海水中的礦物資源。” 劉翀認為，未來 5-10 年透過電化學在海水採礦領域將會有很大的改進。創新可見光飲用水殺菌技術，20 分鐘可滅 99.99% 細菌基於對環境和可持續發展的長久關注，劉翀讀博期間還利用新型二維材料硫化鉬實現可見光催化快速飲用水殺菌。與其他基於光的淨化方案不同，這一方法可以在可見光而非紫外線下工作，並能在 20 分鐘內能夠實現 99.999% 的滅菌效果。二硫化鉬是在電產氫產氧過程中發現的一個非貴金屬高效催化劑，劉翀洞察到如果將二硫化鉬與水反應，能夠有效的吸收光轉化成電子電洞即會產生自由基，自由基具有強氧化性，可以與水裡細菌的細胞膜和細胞器發生反應，進而殺掉細菌，達到滅菌效果。該項水淨化技術，為全球約 8 億處於水資源緊缺的地區人們提供新的分散式淨水方案。此外，光催化水消毒研究入圍了 2017 年 BBC 食品和農業獎的 “全球冠軍” 。劉翀的研究專案也被收錄了 Nature Nanotechnology 等雜誌上。

圖 | 劉翀發表關於可見光飲用水殺菌相關研究不斷接近真相的時候最高興對真相的著迷始終伴隨著劉翀，讓她一直保持著樂觀、積極的研究態度。劉翀很感激自己的博士導師崔屹教授，讀博期間知識儲備無論是從廣度還是深度都得到了延申，這是劉翀最大的收穫。崔屹教授對劉翀也給予了很高的評價，他認為劉翀是環境奈米技術（水和空氣）領域的明星和頂級創新者。“劉翀在環境技術領域展現出驚人的創新能力，讓她當之無愧入圍《麻省理工科技評論》科技創新 35 人榜單。”外界評價劉翀都離不開 “創新” 二字，對此劉翀自己解釋是因為 “比較幸運”。她坦言，因為博士期間跟著導師讓她接觸到各種各樣的研究，很多自身領域的研究靈感都受到其他組的實驗啟發。“用專業研究拓展自己領域的深度，跨領域的學習拓展知識的廣度，你懂得知道的東西越多，你的想象力會就會受到啟發會更多。” 劉翀總結道。2018 年劉翀加入芝加哥大學並獲得 Neubauer Family 榮譽助理教授。截至目前她共發表 SCI 論文 40 餘篇，H 指數 26，總引用數 > 4500，獲得 6 項美國專利。她所研究的課題也得到了美國能源部的支援。如今劉翀也開始自己帶研究組、教學、帶實驗，比此前單純的搞科研時忙得多，但她仍然保持著積極的態度。目前，劉翀團隊的研究主要圍繞電化學分離、電化學催化等方向，除海水採礦外，膜技術也在團隊實驗中，該技術將有望應用在海水淡化領域，她希望透過構建一些新型二維材料通道，透過對通道的調節提高對離子和水分子的選擇性，加速其流通性。