Naukowcy z projektu KAUST opracowali metodę ekstrakcji litu, niezbędnego pierwiastka w akumulatorach pojazdów autonomicznych, z wody morskiej w bardziej opłacalny ekonomicznie sposób. System oferuje ekonomiczny sposób pozyskiwania niezbędnych materiałów akumulatorowych. Ogniwo elektrochemiczne zaprojektowane przez zespół KAUST oddziela jony litu od wody morskiej, a jednocześnie wytwarza cenny gazowy wodór i chlor.
Lit jest niezbędnym pierwiastkiem w akumulatorach, które zasilają pojazdy elektryczne, ale oczekuje się, że rosnące zapotrzebowanie na lit wyczerpie rezerwy na lądzie do 2080 r. Naukowcy z KAUST opracowali teraz opłacalny ekonomicznie system, który może wydobywać lit o wysokiej czystości z wody morskiej.
Oceany zawierają około 5 tys. razy więcej litu niż ląd, ale w ekstremalnie niskich stężeniach około 0,2 części na milion (ppm). Większe jony, w tym sód, magnez i potas, są obecne w wodzie morskiej w znacznie wyższych stężeniach; jednak wcześniejsze wysiłki badawcze mające na celu wydobycie litu z tej mieszaniny przyniosły niewiele rezultatów.
Zespół KAUST rozwiązał ten problem za pomocą ogniwa elektrochemicznego zawierającego ceramiczną membranę wykonaną z tytanianu lantanowo-litowego (LLTO). Jego struktura krystaliczna zawiera otwory wystarczająco szerokie, aby przepuszczać jony litu, jednocześnie blokując większe jony metali. „Membrany LLTO nigdy wcześniej nie były używane do ekstrakcji i koncentracji jonów litu” – mówi badacz Zhen Li, który opracował komórkę.
Komórka zawiera trzy przedziały. Woda morska wpływa do centralnej komory zasilającej, gdzie dodatnie jony litu przechodzą przez membranę LLTO do bocznej komory, która zawiera roztwór buforowy i katodę miedzi pokrytą platyną i rutenem. Tymczasem jony ujemne opuszczają komorę zasilającą przez standardową membranę anionowymienną, przechodząc do trzeciej komory zawierającej roztwór chlorku sodu i anodę platynowo-rutenową.
Naukowcy przetestowali system przy użyciu wody morskiej z Morza Czerwonego. Przy napięciu 3,25 V ogniwo wytwarza gazowy wodór na katodzie i gazowy chlor na anodzie. To napędza transport litu przez membranę LLTO; pierwiastek ten gromadzi się w komorze bocznej. Ta wzbogacona litem woda staje się następnie surowcem dla czterech kolejnych cykli przetwarzania, ostatecznie osiągając stężenie ponad 9000 ppm. Regulacja pH tego roztworu zapewnia stały fosforan litu, który zawiera jedynie śladowe ilości innych jonów metali – wystarczająco czysty, aby spełnić wymagania producentów akumulatorów.
Ogniwo elektrochemiczne zaprojektowane przez zespół KAUST oddziela jony litu od wody morskiej, jednocześnie wytwarzając cenny gazowy wodór i chlor. © Li i in. (2021). Opublikowane przez Królewskie Towarzystwo Chemiczne
Naukowcy szacują, że do wydobycia 1 kg litu z wody morskiej ogniwo potrzebowałoby tylko 5 USD energii elektrycznej. Wartość wodoru i chloru wytwarzanego przez ogniwo z nawiązką zrekompensowałaby ten koszt, a resztkowa woda morska mogłaby być również wykorzystana w zakładach odsalania do dostarczania wody słodkiej.
– Będziemy nadal optymalizować strukturę membrany i konstrukcję ogniw, aby poprawić wydajność procesu – mówi lider grupy Zhiping Lai. Jego zespół ma również nadzieję na współpracę z przemysłem szklarskim w celu wyprodukowania membrany LLTO na dużą skalę i po przystępnych cenach.
Źródło: KAUST Discovery
Zaprenumeruj Magazyn Fotowoltaika
