Identifying intercalation electrodes for electrochemical ion recovery and desalination
本研究采用高通量计算工作流筛选了超过20,000种材料，并确定了11种用于选择性离子回收的极具前景的插层电极材料和1种用于脱盐的电极材料，从而提供了一份经热力学验证的候选名单，以推进高效能水处理技术的发展。
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随着海平面上升和人类活动增加河流与湖泊中的含盐量，淡水正变得日益稀缺。虽然从海水中去除盐分以制造饮用水是一个已知的挑战，但海洋还蕴藏着像锂、镁和钙这样珍贵的矿产资源。从我们想要净化的同一份水中提取这些特定元素，提出了一个独特的工程问题。传统的净水方法（例如通过精细的膜进行过滤）能有效去除所有盐分，但无法区分哪些是有用的矿物质，哪些是无用的。相反，旨在提取单一矿物质的方法往往难以在复杂的海洋盐水环境中高效运作。解决方案在于寻找能够像“选择性海绵”一样的材料，只吸收我们想要的离子而留下其余部分，或者相反，吸收所有成分以留下纯净的水。
为了解决这个问题，研究人员转向了一类被称为“插层电极”的材料。这些是具有微小空隙的固体结构，其晶格内部就像缺少了一些单元格的蜂窝。当放入水中并连接电源时，这些材料可以将带电的原子（或离子）从液体中拉出，并安全地锁定在这些空隙中。这个过程与锂离子电池储存能量的机制相同，但这里的目标不是储存电能，而是从水中收获特定的原子。挑战在于，目前用于此目的的材料（例如某些铁和锰化合物）在暴露于严酷、咸涩的海水环境时，往往会发生分解或溶解。它们要么反应太慢，要么随时间推移变得不稳定。
在一项新的研究中，一支科学家团队通过寻找数千种从未在实验室中测试过的可能性，试图寻找更好的材料。他们没有在烧杯中混合化学物质，而是使用强大的计算机来模拟不同的晶体结构在海水中会如何表现。他们从一个包含超过 20,000 种含有锂、钠、钾、镁或钙的不同化学结构的庞大数字库开始。通过使用一种称为“密度泛函理论”的方法（该方法可以计算原子和电子的能量），他们模拟了每个结构在浸没于具有特定化学成分的海洋水中时的反应情况。
研究人员必须考虑到海水不仅仅是水和盐，它是一种复杂的离子汤，会攻击并溶解许多材料。他们构建了详细的地图，即“Pourbaix 图”，这些图展示了哪些酸度和电压组合能让材料保持固体状态且稳定。他们调整了这些地图，将海水中的特定离子（如氯化物和硫酸盐）纳入其中，而这些离子在标准测试中通常被忽略。随后，他们应用了一套严格的规则：材料必须在海水中保持稳定，能够抓取捕获的离子而不发生解体，并且要在安全且实用的电压下进行。他们还寻找了具有“选择性”的材料（即只抓取一种类型的离子）和“非选择性”的材料（即同时抓取多种类型的离子）。
在运行这些模拟后，可行的候选材料数量急剧减少。在最初的 20,414 个结构中，只有极少数通过了所有测试。团队确定了 11 种具有作为特定离子“选择性海绵”潜力的材料。例如，他们发现一种名为“钼酸铁”的材料在抓取锂（一种对电池至关重要的元素）方面非常有效，同时会忽略其他离子。他们还发现了其他可以选择性捕捉镁、钙、钠或钾的结构。这些发现意义重大，因为它们提供了一份具体的化学配方，实验人员现在可以尝试在现实世界中构建并测试它们。其中一些材料是已知存在的，而另一些则是计算机表明应该有效的全新理论发现。
研究还寻找了可以作为“通用海绵”进行脱盐的材料，即移除所有不需要的离子以留下纯净的水。研究人员发现，一种被称为“橄榄铁磷酸盐”的常见材料是完成这项工作的最佳候选者，它能够同时捕捉四种不同类型的离子。然而，他们明确排除了目前正在研究中的几种其他材料，例如某些基于锰的化合物。他们的模拟显示，这些锰类材料会在海水中溶解，因此不适合长期使用。这种区分至关重要，因为它防止了科学家们浪费时间去改进那些在海洋环境中本质上就不稳定的材料。
研究人员还指出，他们的名单在很大程度上受限于其数字库中可用数据的限制。由于在锂电池领域已有更多的研究工作，因此存在更多含锂的结构，这也是为什么最终名单中包含许多锂选择性候选者的原因。他们承认，其计算机模型是基于理想条件的，尚未考虑到离子通过材料的速度或材料在多年使用过程中可能发生的退化情况。尽管如此，这项研究提供了一个稳健的热力学路线图。它告诉我们哪些材料在海洋中足够稳定，以及哪些材料可能会失败，为开发下一代收获资源和净化水的技术提供了清晰的起点。
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