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大概 10 年前，美國 PBS 電視臺拍攝了一組題為《Energy e2》的紀(jì)錄片，對全球經(jīng)濟(jì)上行下能源消耗的問題做了系列報道。該紀(jì)錄片著重討論了可再生能源、自然能源等新型能源對傳統(tǒng)煤炭、石油、天然氣等礦物質(zhì)能源代替的可能性，強調(diào)讓能源可持續(xù)發(fā)展以減輕對環(huán)境的破壞。

為應(yīng)對人口增長帶給自然環(huán)境、能源的壓力，能源的結(jié)構(gòu)會逐漸轉(zhuǎn)向以清潔能源和核能作為主要產(chǎn)能方式，與電能儲存和核能相關(guān)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(huán)境的損害，但受制于開采條件和技術(shù)手段等眾多因素影響，仍然無法達(dá)到廣泛普及。試想一下，如果我們能夠從占據(jù)地球面積 71% 的海洋中提取到合適的礦物資源，并且對海洋生態(tài)基本沒有破壞，將會為資源可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)造更多的可能。

那么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(guān)鍵。

芝加哥大學(xué)分子工程學(xué)院助理教授劉翀給出了解決方案，半波整流交流電化學(xué)方法（HW-ACE）提鈾和脈沖電化學(xué)插層法提鋰。

海水中存有大量的礦物資源，從海水中提取資源并不陌生，比如氯堿工業(yè)。但是海水中濃度較低的元素，在提取技術(shù)上存在很大的挑戰(zhàn)。實現(xiàn)低濃度元素的提取，依賴新材料、新技術(shù)的開發(fā)以及對分離技術(shù)中存在的基礎(chǔ)科學(xué)問題的研究。

“我希望我們開發(fā)的電化學(xué)方法能夠在實現(xiàn)大規(guī)模的海水采礦的同時，能避免對海洋環(huán)境和生態(tài)造成負(fù)面影響。電化學(xué)采礦的可行性可觀，可與已有的海上太陽能和風(fēng)能有效結(jié)合并實現(xiàn)清潔能源驅(qū)動的電化學(xué)生產(chǎn)?！?劉翀表示。

憑借創(chuàng)新性的鈾和鋰提取方式及創(chuàng)新性可見光飲用水殺菌技術(shù)，劉翀也入選 《麻省理工科技評論》“35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人” 2020 年中國區(qū)榜單。

圖 | 芝加哥大學(xué) Pritzker 分子工程學(xué)院助理教授劉翀

從海水中提取鈾和鋰，為新能源可持續(xù)發(fā)展提供創(chuàng)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采作為主要獲取方式。

實際上，鈾并不是海水的主要構(gòu)成成分，相比是鈉、鎂、鈣等主要離子元素，鈾的數(shù)量級非常小，占比僅為其（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(shù)。對此她開發(fā)了兩種電化學(xué)方法從海水中提取鈾和鋰：半波整流交流電化學(xué)方法（HW-ACE）提鈾和脈沖電化學(xué)插層法提鋰。

如果采用一般恒流恒壓電化學(xué)方法在水環(huán)境中提鈾，那么在提取過程中電流效率會全部供給于產(chǎn)氫產(chǎn)氧，相當(dāng)于在電解水，根本無法提取到鈾。

采用半波整流電化學(xué)方法，通過限制電子傳輸?shù)诫姌O的時間，在產(chǎn)氫反應(yīng)發(fā)生之前競爭鈾的分離時間，完成電化學(xué)沉積，從而實現(xiàn)鈾的提取過程。

半波整流交流電化學(xué)方法還能有效減少副反應(yīng)，提取鈾的容量比傳統(tǒng)吸附高 9 倍，動力學(xué)速度快 4 倍。

通過半波整流交流電化學(xué)方法提取的鈾氧化物還需要進(jìn)行同位素分離，并在后期不斷提純，從而達(dá)到核能、電能的元素使用標(biāo)準(zhǔn)。

圖 | Nature Energy 收錄了劉翀關(guān)于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(shù)量級與鈉僅差了幾萬。鋰與鈉的化學(xué)性質(zhì)相似，這也造成了鋰提取過程中與鈉競爭的復(fù)雜性。

此前業(yè)內(nèi)有通過電化學(xué)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(xué)上相似鈉離子的競爭，劉翀開創(chuàng)了脈沖電化學(xué)插層法提鋰。該方法中的靜止時間允許離子重新分布，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(wěn)定性。

圖 | 劉翀發(fā)表的《用電化學(xué)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(xiàn)了從海水直接以固體形態(tài)提取鈾和鋰，為以新能源為驅(qū)動力的可持續(xù)資源開發(fā)提供了創(chuàng)新解決方案。

同時，這兩項研究開創(chuàng)了一個全新的領(lǐng)域，為電化學(xué)在海水采礦領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展奠定了基石。

抓住關(guān)鍵 “電子”，用電化學(xué)技術(shù)改造傳統(tǒng)化工產(chǎn)業(yè)

“不再把電子當(dāng)作能量的介質(zhì)，同時把電子作為合成的原料?！?這是劉翀在電化學(xué)海水采礦實驗中的收獲。

她認(rèn)為：“從可持續(xù)發(fā)展的要求來看，風(fēng)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(xué)的方式改造傳統(tǒng)化工生產(chǎn)工藝。”

目前電化學(xué)在能源領(lǐng)域的嘗試也有很多，包括電化學(xué)開采、電催化合成，劉翀認(rèn)為電化學(xué)領(lǐng)域的研究也是未來行業(yè)發(fā)展的必要方向。

化工產(chǎn)業(yè)與環(huán)境問題、未來可持續(xù)發(fā)展息息相關(guān)。“如果電化學(xué)技術(shù)能夠應(yīng)用到更廣泛的物質(zhì)元素提取中，取代一部分現(xiàn)有資源獲取方式，將能夠極大緩解環(huán)境的壓力?！?劉翀補充道。

目前的兩項電化學(xué)海水元素提取技術(shù)研究還只是個開端，真正能夠落地實踐還要面臨很多挑戰(zhàn)。

“我們將針對更多的元素設(shè)計材料以及電化學(xué)方法。為電化學(xué)海水采礦設(shè)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(rèn)為，未來 5-10 年通過電化學(xué)在海水采礦領(lǐng)域?qū)泻艽蟮母倪M(jìn)。

創(chuàng)新可見光飲用水殺菌技術(shù)，20 分鐘可滅 99.99% 細(xì)菌

基于對環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的長久關(guān)注，劉翀讀博期間還利用新型二維材料硫化鉬實現(xiàn)可見光催化快速飲用水殺菌。與其他基于光的凈化方案不同，這一方法可以在可見光而非紫外線下工作，并能在 20 分鐘內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn) 99.999% 的滅菌效果。

二硫化鉬是在電產(chǎn)氫產(chǎn)氧過程中發(fā)現(xiàn)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(yīng)，能夠有效的吸收光轉(zhuǎn)化成電子電洞即會產(chǎn)生自由基，自由基具有強氧化性，可以與水里細(xì)菌的細(xì)胞膜和細(xì)胞器發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而殺掉細(xì)菌，達(dá)到滅菌效果。

該項水凈化技術(shù)，為全球約 8 億處于水資源緊缺的地區(qū)人們提供新的分布式凈水方案。

此外，光催化水消毒研究入圍了 2017 年 BBC 食品和農(nóng)業(yè)獎的 “全球冠軍” 。劉翀的研究項目也被收錄了 Nature Nanotechnology 等雜志上。

圖 | 劉翀發(fā)表關(guān)于可見光飲用水殺菌相關(guān)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(tài)度。劉翀很感激自己的博士導(dǎo)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，這是劉翀最大的收獲。

崔屹教授對劉翀也給予了很高的評價，他認(rèn)為劉翀是環(huán)境納米技術(shù)（水和空氣）領(lǐng)域的明星和頂級創(chuàng)新者?！皠⒘堅诃h(huán)境技術(shù)領(lǐng)域展現(xiàn)出驚人的創(chuàng)新能力，讓她當(dāng)之無愧入圍《麻省理工科技評論》科技創(chuàng)新 35 人榜單?！?/p>

外界評價劉翀都離不開 “創(chuàng)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(dǎo)師讓她接觸到各種各樣的研究，很多自身領(lǐng)域的研究靈感都受到其他組的實驗啟發(fā)?！坝脤I(yè)研究拓展自己領(lǐng)域的深度，跨領(lǐng)域的學(xué)習(xí)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(fā)會更多。” 劉翀總結(jié)道。

2018 年劉翀加入芝加哥大學(xué)并獲得 Neubauer Family 榮譽助理教授。截至目前她共發(fā)表 SCI 論文 40 余篇，H 指數(shù) 26，總引用數(shù) > 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持。

如今劉翀也開始自己帶研究組、教學(xué)、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(tài)度。目前，劉翀團(tuán)隊的研究主要圍繞電化學(xué)分離、電化學(xué)催化等方向，除海水采礦外，膜技術(shù)也在團(tuán)隊實驗中，該技術(shù)將有望應(yīng)用在海水淡化領(lǐng)域，她希望通過構(gòu)建一些新型二維材料通道，通過對通道的調(diào)節(jié)提高對離子和水分子的選擇性，加速其流通性。

參考資料：
[1]微信公眾號DeepTech深科技（ID：deeptechchina），33歲女科學(xué)家向海水“要”稀有金屬，采用全新電化學(xué)方法提取鈾和鋰，開辟海水采礦新領(lǐng)域，https://mp.weixin.qq.com/s/emB9AvmuA8rsqPglMz88JA