Електромобілі обіцяють допомогти відмовитися від викопного палива, але створюють нову проблему: як забезпечити достатню кількість літію, необхідного для їхніх батарей.
Матеріалознавець Чонг Лю з Чиказького університету має кілька ідей. Сучасні технології дозволяють добувати літій лише з джерел із високою концентрацією іонів, таких як тверді породи чи підземні поклади солоних вод, відомі як розсоли. Ці джерела не зможуть задовольнити зростаючий попит, до того ж їхнє видобування завдає шкоди навколишньому середовищу.
Лю звернула увагу на матеріал, який може зробити можливим видобуток літію з недоторканих джерел. Вона вивчає розсоли, що залишаються після геотермальних і опріснювальних процесів, стічні води від фрекінгу та навіть морську воду, яка одного дня може стати величезним джерелом літію. Однак основна проблема полягає у співвідношенні натрію до літію в морській воді, яке становить приблизно 20 000:1 — значно менше, ніж у нинішніх джерелах із співвідношенням кількасот до одного.
Добування літію з розчинів із низькою концентрацією для комерційного використання потребує багато досліджень, каже Лю. Проте її зусилля вже зробили значний прорив у напрямку ефективнішого видобування ресурсів, зазначає молекулярний інженер Чиказького університету Метью Террелл, який запросив Лю працювати асистентом професора у 2018 році. Її робота може також закласти основу для інших процесів, що передбачають переміщення іонів у пористих обмежених просторах, із можливими застосуваннями від прискорення хімічних реакцій до лікування пацієнтів із отруєннями ртуттю чи свинцем.
Селективність для літію
Метод, над яким працює Лю, називається електрохімічною інтеркаляцією і лише недавно почав використовуватись для видобування ресурсів. Спочатку матеріал із каналами розміром із іони занурюють у солону воду. Іони літію входять у решітку каналів матеріалу і там утримуються. Але вода також містить іони натрію, які зменшують кількість літію, що може бути захоплена.
Лю почала шукати ідеальний матеріал у 2016 році під час постдокторських досліджень у Стенфордському університеті. Вона знала, що вибір правильного матеріалу є критично важливим. «Властивості цього матеріалу визначатимуть, наскільки селективним для літію він буде і з якими джерелами води ми зможемо працювати», — пояснює Лю.
Після ретельного вивчення наукової літератури вона обрала фосфат заліза. Кисень у фосфаті заліза краще зв’язується з літієм, ніж із конкуруючими іонами натрію. Більші іони натрію розширюють канали, але зв’язки літію з киснем утримують їх малими й придатними для захоплення більшої кількості літію. Коли матеріал насичується іонами, його переміщують у прісну воду і за допомогою електричного струму видаляють іони. Додаючи гідроксид, отримують гідроксид літію — сировину для батарей електромобілів.
Фізик Стенфордського університету Стівен Чу назвав кількість літію, яку може добувати фосфат заліза, «вражаючою». Він зазначив, що Лю не зупинилась на досягнутому і прагне зробити метод практичним.
У своїй лабораторії в Чикаго Лю намагається зробити матеріал ще ефективнішим. Її команда досліджує, як іони літію та натрію входять у канали матеріалу, у якому порядку і як взаємодіють. Краще розуміння цього дозволяє підвищувати ефективність.
Розширення застосувань
Лабораторія Лю також розробляє метод для розділення рідкісноземельних елементів, що є ще складнішим завданням. Ці 17 елементів важливі для сучасних технологій, але їх важко розділити через схожий розмір і хімічні властивості.
Більшість роботи команди присвячена базовій матеріалознавчій науці. Лю пояснює: «Ми просто накопичуємо більше знань, щоб потім почати прогнозувати речі». Завдяки такому підходу команда й обрала фосфат заліза.
Стівен Чу називає Лю однією з небагатьох науковців, за якими варто слідкувати через їхні новаторські підходи. Лю ж зізнається, що вирішила присвятити своє життя цій справі через любов до розв’язання наукових загадок. У вихідні вона проводить час із дітьми, граючи у Lego або катаючись на велосипедах, і намагається навчати їх науці в ігровій формі.