Trong một bước đột phá lớn, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) và Đại học Chicago (UChicago), phát triển công nghệ màng tiên tiến có thể chiết xuất lithium từ nước biển.

Được chế tạo bằng vermiculite, loại đất sét rẻ tiền, có sẵn trong tự nhiên, giá chỉ khoảng 350 đô la một tấn, màng lọc mới này lọc các ion lithium hiệu quả đáng kể, mang lại giải pháp thay thế tiềm năng so với cách khai thác truyền thống.

Hầu hết lithium trên thế giới hiện nay đến từ một số ít quốc gia, thông qua khai thác đá cứng hoặc bốc hơi ở hồ muối. Các quy trình này không chỉ tốn kém, chậm, gây hại cho môi trường mà còn khiến chuỗi cung ứng toàn cầu dễ bị tổn thương.

Tuy nhiên, lithium còn có một lượng lớn hòa tan trong nước biển và nước muối ngầm. Cho đến nay, việc chiết xuất lithium từ các nguồn này vẫn chưa hiệu quả.

Nhóm nghiên cứu Argonne và UChicago nghĩ ra phương pháp bóc vermiculite thành các tấm cực mỏng, khoảng một phần tỉ mét, sau đó xếp lại chúng tạo thành bộ lọc nhiều lớp dày đặc. Các tấm này mỏng đến mức đáng kinh ngạc, chúng được phân loại là vật liệu hai chiều.

Tuy nhiên, các lớp đất sét chưa qua xử lý bị vỡ ra trong nước trong vòng nửa giờ do chúng hấp lực mạnh với nước. Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu xếp lớp màng đất sét 2D với các trụ oxit nhôm cực nhỏ, tạo cho nó cấu trúc ổn định.

Thiết kế này không chỉ giữ cho màng nguyên vẹn trong nước mà còn cho phép màng lọc các ion dựa trên cả kích thước và điện tích. Đây là chìa khóa để tách lithium khỏi các nguyên tố tương tự như magie và natri.

Sau đó, nhóm nghiên cứu truyền cation natri vào màng, tập trung quanh trụ oxit nhôm. Điều này làm thay đổi điện tích bề mặt của màng từ trung tính sang dương. Trong nước mặn, ion lithium và magie đều mang điện tích dương, nhưng magie mang điện tích cao hơn (+2) so với lithium (+1).

Màng tích điện dương đẩy lùi các ion magie một cách mạnh mẽ hơn, cho phép các ion lithium đi qua dễ dàng hơn, trong khi vẫn giữ magie ở ngoài. Để tăng tính chọn lọc hơn nữa, nhóm nghiên cứu bổ sung thêm các ion natri, giúp thắt chặt cấu trúc lỗ chân lông của màng.

Sự điều chỉnh này cho phép các ion nhỏ hơn như natri và kali đi qua, đồng thời giữ lại lithium với độ chính xác cao hơn. Kết quả là một phương pháp lọc có thể mở rộng quy mô, chi phí thấp, giúp thu hoạch trữ lượng lithium chưa được khai thác có nhiều trong đại dương, nước muối ngầm.

Ý nghĩa của màng này không chỉ giới hạn ở lithium. Các nhà nghiên cứu cho biết nó có thể giúp thu hồi các khoáng chất quan trọng khác, như niken, coban, các nguyên tố đất hiếm, thậm chí loại bỏ các chất gây ô nhiễm khỏi nước uống. Khám phá này đăng trên tạp chí Advanced Materials.