鋰-6對于生產核聚變燃料至關重要，但將其從更常見的同位素鋰-7中分離出來通常需要液態汞，而液態汞含有劇毒。現在，科學家開發出一種無汞分離鋰-6的方法，與傳統方法一樣有效。相關研究3月21日發表于細胞出版社旗下《化學》跨學科期刊。
“這是朝著解決核能主要障礙邁出的重要一步。”瑞士蘇黎世聯邦理工學院和美國德州農工大學化學家、論文通訊作者Sarbajit Banerjee說，“鋰-6是核能復興的關鍵材料，這種方法可能代表了一種可行的同位素分離方法。”
用于分離鋰-6的傳統方法被稱為COLEX工藝，由于污染問題，自1963年起在美國被禁用。從那時起，美國研究使用的幾乎所有鋰-6都依賴于田納西州橡樹嶺國家實驗室不斷減少的庫存。一種安全的鋰-6分離方法是將核聚變解鎖為可持續能源的關鍵。
研究人員在開發用于清潔“產水”的膜時，意外發現了分離鋰-6的新方法。“產水”是石油和天然氣鉆探過程中被帶到地表的地下水，必須經過清潔處理后才能被重新注入地下。他們注意到，清潔膜捕獲了水中大量鋰。
“我們發現，盡管水中含有大量的鹽，但我們仍能選擇性地提取鋰。”Banerjee說，“我們好奇的是，這種材料是否也對鋰-6同位素具有一定的選擇性？”
該膜的鋰結合特性源于一種名為Zeta型氧化釩（ζ-V?O?）的實驗室合成無機化合物。這種化合物含有沿單一維度延伸的隧道狀結構框架。
“ζ-V?O?具有一些非常驚人的特性——它是一種非常出色的電池材料，現在我們發現它還能非常有選擇性地捕獲鋰，甚至具有同位素選擇性。”Banerjee說。
為了測試這種材料能否分離鋰-6和鋰-7，研究團隊設置了一個帶有ζ-V?O?陰極的電化學電池。當他們將含有鋰離子的水溶液泵入電池并施加電壓時，帶正電的鋰離子被吸引到帶負電的ζ-V?O?基質上并進入其隧道內。由于鋰-6和鋰-7離子的移動方式不同，ζ-V?O?隧道更傾向于捕獲鋰-6離子，而更具流動性的鋰-7離子則逃脫了捕獲。
“鋰-6離子與隧道的結合力要強得多，這就是選擇性機制。”論文共同第一作者、德州農工大學的Andrew Ezazi說，“如果你把ζ-V?O?和鋰之間的連接想象成一根彈簧，你可以想象鋰-7更重，更有可能打破束縛，而鋰-6更輕，振動更小，進而被牢牢‘鎖住’。”
隨著鋰離子嵌入ζ-V?O?，該化合物的顏色會逐漸從鮮黃色變為深橄欖綠，這使得鋰的分離程度能夠輕松監測。
研究團隊表明，單次電化學循環可使鋰-6的含量增加5.7%。為了獲得用于核聚變的鋰，其鋰-6含量需至少達到30%，這意味著需要重復該過程25次。并且經過大約45次連續循環后，可獲得90%的鋰-6。
“這種富集程度在不使用汞的情況下，與COLEX工藝具有很強的競爭力。”Ezazi說。
“當然，我們目前尚未進行工業生產，還有一些工程問題需要克服，比如如何設計流體循環系統。但通過多次流體循環，你可以相當便宜地獲得核聚變級別的鋰。”Banerjee說。
研究人員表示，他們的研究結果表明，像ζ-V2O5這樣的材料可用于分離其他物質，例如放射性和非放射性同位素。
目前，該團隊正在試圖將他們的方法擴大到工業規模。“我認為，人們普遍認為核聚變是清潔能源的終極解決方案。”Banerjee說，“我們希望獲得一些支持，將這一成果轉化為可行的解決方案。”
相關論文信息：
http://doi.org/10.1016/j.chempr.2025.102486