Theo một nghiên cứu từ Đại học Rice, Texas (Hoa Kỳ), loại màng mới đạt được độ chọn lọc lithium cao nhất trong số các màng tương tự, trong khi sử dụng ít năng lượng hơn. Nghiên cứu được trình bày chi tiết trên tạp chí Nature Communications.
Nhóm nghiên cứu cho biết, thiết kế màng này có thể điều chỉnh nhằm thu hồi các khoáng chất khác, như coban, niken, và có thể tương thích với các quy trình công nghiệp hiện có. Các thử nghiệm về hiệu suất, độ bền của vật liệu cho thấy nó sẵn sàng cho thiết lập quy mô lớn hơn.
Phần lớn lithium trên thế giới được khai thác từ các mỏ nước mặn (nước muối), liên quan các ao hồ bốc hơi rộng lớn và qua xử lý hóa chất. Quá trình này thường chậm, kém hiệu quả, tốn kém và gây hại cho môi trường.
Lớp màng mới được cho là đưa ra giải pháp thay thế, chiết xuất lithium thông qua phương pháp điện phân. Trong quá trình này, dòng điện được sử dụng và các ion lithium di chuyển qua màng, trong khi các nguyên tố dồi dào hơn như natri, canxi và magie vẫn ở lại.
Thông thường, khi áp dụng một điện trường, tất cả ion tích điện dương sẽ di chuyển qua màng trao đổi cation, Qilin Li, Giáo sư tại Đại học Rice cho biết. Lithium thực ra chỉ là một thành phần nhỏ trong nước muối, nhưng lớp màng của nhóm nghiên cứu chủ yếu cho phép lithium đi qua, các ion khác sẽ ở lại phía sau.
Tính chọn lọc đó làm cho quá trình này hiệu quả hơn, ít tốn năng lượng hơn so với phương pháp điện phân công nghiệp thông thường. Nhóm nghiên cứu đạt được điều này bằng cách nhúng các hạt nano lithium titanium oxide (LTO) vào màng, tận dụng cấu trúc tinh thể của LTO, cho phép ion lithium di chuyển qua.
Thách thức trong việc sử dụng LTO hoặc các loại sàng ion lithium khác trong màng là tính tương thích kém của các sàng ion vô cơ với ma trận màng polymer. Điều này dẫn đến các khuyết tật trên màng, từ đó làm giảm hiệu suất.
Để khắc phục hạn chế này, nhóm nghiên cứu ghép LTO với các nhóm amin, giúp chúng có thể trộn đều thành một lớp giống như nhựa, chắc chắn, không khuyết tật cho màng. Mỗi lớp trong ba lớp của màng có thể tối ưu hóa độc lập, biến nó thành nền tảng cho các ứng dụng khác như chiết xuất chọn lọc coban hoặc niken.
Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm loại màng mới trong hệ thống điện phân và sử dụng mô phỏng máy tính để xem nó hoạt động như thế nào ở cấp độ nguyên tử. Màng mới chứng minh được độ bền và chắc chắn, duy trì hiệu suất và chống chịu được sự xuống cấp, ngay cả sau hai tuần sử dụng.
Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm màng mới trong hệ thống điện phân và sử dụng mô phỏng máy tính để xem nó hoạt động như thế nào ở cấp độ nguyên tử. Màng tỏ ra chắc chắn và bền bỉ, duy trì hiệu suất và chống chịu được sự xuống cấp, ngay cả sau hai tuần sử dụng.
