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廢舊鋰離子電池

回收技術(shù)獲突破

科技日報2024年11月10日報道，記者從昆明理工大學冶金與能源工程學院獲悉，該院華一新教授團隊近日在低共熔溶劑回收廢舊鋰離子電池領(lǐng)域取得重要研究進展，不僅為廢舊電池的有效回收提供了新思路，也為全球鋰離子電池市場的可持續(xù)發(fā)展注入了強勁動力。相關(guān)研究成果于5月3日發(fā)表在開放獲取期刊《e科學》上。

隨著全球鋰離子電池市場的快速增長，廢舊電池的處理問題日益凸顯。廢舊電池中蘊含的有價金屬如鋰、鈷等若能得到有效回收，不僅能緩解原材料枯竭的壓力，還能顯著降低環(huán)境污染。然而，傳統(tǒng)的回收方法存在諸多難題，如鋰在水溶液中難以沉淀、需添加多種沉淀劑回收過渡金屬等。

為此，昆明理工大學教授華一新、副教授汝娟堅等人有針對性地提出了基于水平衡調(diào)節(jié)低共熔溶劑中離子競爭配位的創(chuàng)新策略。該策略通過精準調(diào)控溶劑中的水分含量，實現(xiàn)了材料循環(huán)與溶劑循環(huán)的雙循環(huán)回收，有效提高了廢舊電池中有價金屬的回收效率。

該團隊首次在低共熔溶劑中實現(xiàn)了鋰的優(yōu)先提取及鈷的精準分離。這一突破性進展得益于氯化膽堿—草酸—水低共熔溶劑的獨特優(yōu)勢，其低黏度、高溶解性和選擇性析出含鋰化合物的特性，使得鋰的優(yōu)先提取成為可能。更重要的是，整個過程中無須添加還原劑和沉淀劑，大大降低了回收成本和環(huán)境風險。

此外，團隊還首次系統(tǒng)分析了水含量對低共熔溶劑中離子競爭配位的調(diào)節(jié)機制。通過分子動力學模擬，揭示了水含量及浸出溫度對離子競爭配位的影響，進一步闡明了鋰的優(yōu)先析出和鈷的精準分離機理。這一成果，不僅為廢舊電池中有價金屬的回收提供了理論支撐，還為其他類型電池材料的回收提供了借鑒。

目前，這一創(chuàng)新策略已成功廣泛用于多種鋰離子電池正極材料的回收，為廢舊電池材料的資源化利用開辟了新路徑?！拔覀冇欣碛上嘈牛磥黼S著新技術(shù)的不斷推廣和應(yīng)用，廢舊電池將不再是‘廢物’，而是寶貴的資源，為綠色可持續(xù)發(fā)展貢獻力量?！比A一新說。

（2024年11月10日 趙漢斌 科技日報）

高速3D生物打印機面世

科技日報2024年11月11日報道，澳大利亞墨爾本大學科學家研制出一款新型高速3D打印機。這款先進的生物打印機利用“動態(tài)界面打印”技術(shù)，巧妙借助聲波，能在幾秒內(nèi)快速精準構(gòu)建并打印出3D細胞結(jié)構(gòu)。相關(guān)論文發(fā)表于新一期《自然》雜志。

研究人員表示，這項技術(shù)為癌癥研究提供了一種精準復(fù)制特定人體器官和組織的利器，將極大提升預(yù)測和開發(fā)新型藥物療法的潛力，顯著降低對動物實驗的需求，為藥物發(fā)現(xiàn)開辟一條更先進且合乎道德的新路徑。此外，該技術(shù)也有助為患者提供量身定制的個性化治療方案。

研究人員解釋稱，傳統(tǒng)的3D生物打印是一個緩慢而精細的過程，需要逐層堆疊細胞。然而，這些細胞往往很難“精準就位”，導致難以打印出準確的人體組織結(jié)構(gòu)。

而新型打印機則能利用振動氣泡產(chǎn)生的聲波，對細胞進行精準操控和排列，從而創(chuàng)建出精確而復(fù)雜的3D組織結(jié)構(gòu)。

更重要的是，傳統(tǒng)3D生物打印過程速度較慢，而這款打印機的速度比傳統(tǒng)方法快350倍。

此外，傳統(tǒng)方法打印出來的細胞結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)移到實驗平板時，往往容易受損，影響細胞結(jié)構(gòu)的完整性。而這款打印機則能直接將細胞結(jié)構(gòu)打印到實驗平板上，從而能確保打印結(jié)構(gòu)的完整性和無菌性。

研究人員認為，生物打印具有巨大潛力，但一直飽受效率低下和應(yīng)用范圍有限的困擾。最新技術(shù)在打印速度、產(chǎn)品精度和一致性方面取得了重大進步，為實驗室研究和臨床應(yīng)用之間搭建了一座橋梁。

未來，研究人員或?qū)幕颊呱砩喜杉M織樣本，打印出定制組織模型，并通過一系列藥物測試，篩選出最佳藥物，從而大幅提高新藥開發(fā)的效率，推進實現(xiàn)精準醫(yī)療。

（2024年11月11日 劉霞 科技日報）

新方法可量化惡劣環(huán)境

對材料的影響

科技日報2024年11月11日報道， 美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校、桑迪亞國家實驗室及巴克內(nèi)爾大學團隊共同發(fā)現(xiàn)：從常見礦物白云母中獲取的研究成果，再結(jié)合地震統(tǒng)計模型，可以量化惡劣環(huán)境因素對材料性能的影響。這一發(fā)現(xiàn)對于先進太陽能電池板、地質(zhì)碳封存設(shè)施以及建筑、道路和橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施所用材料的選擇和設(shè)計具有重要意義。研究發(fā)表在最新一期《自然·通訊》雜志上。

該研究核心在于白云母這種礦物的獨特性質(zhì)。由于其表面平整至原子級別，使得團隊能夠精確測量材料表面與外界環(huán)境（如水和不同pH值的溶液）之間的相互作用，及其對材料強度的影響。通過使用納米壓痕儀對白云母樣本進行實驗，團隊能夠準確記錄材料在不同化學條件下受到機械負載時的位移或破壞情況。

結(jié)果顯示，白云母在干燥條件下的變形能力要大于濕潤環(huán)境，且在堿性較強的溶液中，材料頂層更容易變?nèi)?。這些結(jié)果表明，化學環(huán)境顯著影響了材料的力學性能，從而可能加速材料的老化和損壞過程。

團隊指出，傳統(tǒng)方法在評估工程材料中化學機械弱化效應(yīng)時往往依賴復(fù)雜的分子動力學模型，需要大量的計算資源。相比之下，他們提供了一種更為高效的方法，即利用地震統(tǒng)計模型來預(yù)測材料性能，這不僅加快了材料失效測試的速度，也提高了實驗的效率。

該方法不僅為理解地質(zhì)過程提供了新的視角，也為開發(fā)耐久性更強、適應(yīng)各種極端條件的新型材料開辟了新途徑。

（2024年11月11日 張夢然 科技日報）

我國科學家研制出

新型氣凝膠材料

科技日報2024年11月12日報道， 記者從中國科學技術(shù)大學獲悉，該校俞書宏院士團隊提出一種雙重防護材料的設(shè)計策略，設(shè)計并制備了一種兼?zhèn)鋭討B(tài)電磁波吸收性能和熱防護的功能碳彈簧（FCS）氣凝膠材料。相關(guān)研究成果10月21日在線發(fā)表于國際學術(shù)期刊《先進材料》。

電磁波污染和熱損傷對精密儀器構(gòu)成了嚴重威脅，這一威脅在航空航天領(lǐng)域表現(xiàn)尤為顯著。功能性氣凝膠因其吸收電磁波和隔絕熱量的特性，提供了一種具有良好前景的解決方案。然而，優(yōu)化這兩種特性時常面臨著一個以往研究中常常被忽略的矛盾：熱防護效果與材料厚度呈正相關(guān)，而電磁波吸收只能在特定厚度下達到最佳效果。因此，目前的研究難以同時實現(xiàn)電磁波吸收效率和熱防護效果的平衡。

針對電磁波吸收與熱防護性能共同優(yōu)化中的關(guān)鍵沖突，研究團隊制備的FCS材料，以其獨特的仿足弓長程層狀多拱微觀結(jié)構(gòu)使其電磁波吸收性能可調(diào)，并具備優(yōu)異的熱防護能力。通過調(diào)整壓縮應(yīng)變從0%到50%，該材料的可調(diào)有效吸收帶寬可達13.4吉赫茲，覆蓋了測量頻譜的84%。值得注意的是，在75%應(yīng)變時，吸收帶寬降至0吉赫茲，展現(xiàn)出新穎的吸波“開—關(guān)”切換能力。其超低的垂直熱導率和“面內(nèi)高熱導，面外低熱導”的各向異性熱傳導機制賦予FCS卓越的熱防護效果。數(shù)值模擬表明，F(xiàn)CS在熱防護方面優(yōu)于常見的蜂窩結(jié)構(gòu)和各向同性多孔氣凝膠。此外，研究人員建立了“電磁—熱”雙重保護材料數(shù)據(jù)庫，直觀展示了該材料和設(shè)計策略的優(yōu)越性。

科研人員表示，這項研究成果不僅闡明了限制具有優(yōu)越電磁波吸收和熱防護特性的多功能氣凝膠材料發(fā)展的沖突，而且進一步提出了一個新的設(shè)計范式。其所提出的隔熱材料數(shù)據(jù)庫和“電磁—熱”雙重保護材料數(shù)據(jù)庫，也為直觀的性能比較提供了標準。

（2024年11月12日 吳長鋒 科技日報）

新型電化學反應(yīng)器從鹽水中

高效提取鋰

科技日報2024年11月15日報道，英國科學家研制出一種新型電化學反應(yīng)器，能從天然鹽水溶液中提取鋰。研究團隊表示，這種方法不僅實現(xiàn)了97.5%的高純度鋰提取，還大大降低了傳統(tǒng)提取方法帶來的環(huán)境風險，對推動可再生能源儲存和電動汽車技術(shù)發(fā)展大有助力。相關(guān)論文發(fā)表于最新一期《美國國家科學院院刊》。

鋰作為可再生能源儲存和電動汽車電池的關(guān)鍵材料，其需求量與日俱增。但傳統(tǒng)礦石開采鋰的難度和成本不斷攀升，天然鹽水（地熱環(huán)境中發(fā)現(xiàn)的咸水）已成為一種極具潛力的鋰來源。

不過，天然鹽水中還含有鈉、鉀、鎂、鈣等離子。它們的化學性質(zhì)與鋰相似，使得傳統(tǒng)分離技術(shù)難以實現(xiàn)高選擇性提取，且能耗和化學廢物顯著增加。鹽水中的高濃度氯離子還可能在傳統(tǒng)電化學過程中產(chǎn)生有害的氯氣，進一步加劇了鋰提取過程的復(fù)雜性以及危險性。

在最新研究中，美國萊斯大學團隊研制出一種新型三室電化學反應(yīng)器，解決了這些難題。

與傳統(tǒng)方法不同，新反應(yīng)器增加了一個包含多孔固體電解質(zhì)的中間室，能通過控制鹽水通過時的離子流，有效防止發(fā)生不必要的反應(yīng)。同時，陽離子交換膜充當氯離子的“守門人”，阻止它們到達電極區(qū)域，從而避免了氯氣的產(chǎn)生。位于電解槽另一側(cè)的專用鋰離子導電玻璃陶瓷膜則能選擇性地為鋰“放行”，同時攔截其他離子，顯著減少了天然鹽水中鉀、鎂、鈣等離子的干擾，實現(xiàn)了高選擇性鋰提取。

該反應(yīng)器提取鋰的純度達到97.5%，且極大減少了氯氣的產(chǎn)生，使鋰提取過程更加安全環(huán)保，有望改變從地熱鹵水等來源提取鋰的游戲規(guī)則。

此外，研究團隊觀察到，鈉離子容易在膜表面積聚，這會影響鋰的輸送效率并增加能耗。他們計劃通過調(diào)整電流水平、增加表面涂層等方法，進一步優(yōu)化反應(yīng)器的性能。

（2024年11月15日 劉霞 科技日報）

量子層面復(fù)雜“無序”

磁性材料問世

科技日報北2024年11月16日報道，《自然·通訊》雜志報道，英國伯明翰大學科學家開發(fā)出一種新方法，能夠創(chuàng)造出在量子層面具有復(fù)雜“無序”磁性的材料。這種基于釕框架的材料，滿足了“Kitaev量子自旋液體態(tài)”的要求，向制造和控制具有獨特新性質(zhì)的量子材料邁出了重要一步。

理論物理學家阿列克謝·基塔耶夫在2009年提出一個Kitaev模型，指出了關(guān)于量子自旋液體的一些基本原理。

人們在冰箱或公告板上常見的條形磁鐵就是鐵磁體，其中的電子相互作用，每個電子都像一個小磁鐵一樣相互吸引和排斥，使它們?nèi)恐赶蛲环较?，從而產(chǎn)生磁力。而量子自旋液體材料的磁性并非如此。它們并不像鐵磁體那樣具有有序的特性，而是無序的，其中的電子量子糾纏過程在磁性上相互連接。

在這項新研究中，利用英國散裂中子源與繆子源實驗室和英國鉆石光源的專用儀器，研究團隊能夠證明，具有開放框架結(jié)構(gòu)的新型釕基材料，可以調(diào)節(jié)釕金屬離子之間的相互作用。在這些結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的磁性相互作用比在其他情況下要弱，這為科學家提供了更大的空間來調(diào)節(jié)它們的精確行為。

至關(guān)重要的是，這種材料具備的特性并不遵循經(jīng)典物理學定律，這意味著科學家能創(chuàng)造出與常規(guī)鐵磁體截然不同的磁性。

團隊表示，這項研究在理解如何設(shè)計新材料、探索物質(zhì)量子態(tài)方面邁出了重要一步，向人們展示了一個尚未被充分探索的“材料大家族”，幫助科學家設(shè)計具有獨特磁性的量子新材料。

（2024年11月16日 張佳欣 科技日報）