“保持积极，保持创新” 似乎是刘翀的信仰，其很享受在实验中的探索过程。她直言：“不断接近真相的时候最高兴。”
而她要研究的“真相”很硬核：如何在海洋中高效提取矿物资源。
大概 10 年前，美国 PBS 电视台拍摄了一组题为《Energy e2》的纪录片，对全球经济上行下能源消耗的问题做了系列报道。该纪录片着重讨论了可再生能源、自然能源等新型能源对传统煤炭、石油、天然气等矿物质能源代替的可能性，强调让能源可持续发展以减轻对环境的破坏。
为应对人口增长带给自然环境、能源的压力，能源的结构会逐渐转向以清洁能源和核能作为主要产能方式，与电能储存和核能相关资源的提取和储备变得越来越重要。
众所周知，新型能源可以大幅降低对环境的损害，但受制于开采条件和技术手段等众多因素影响，仍然无法达到广泛普及。试想一下，如果我们能够从占据地球面积 71% 的海洋中提取到合适的矿物资源，并且对海洋生态基本没有破坏，将会为资源可持续发展创造更多的可能。
那么如何在海洋中高效提取矿物资源，成为了未来能量元素提取的关键。
芝加哥大学分子工程学院助理教授刘翀给出了解决方案，半波整流交流电化学方法（HW-ACE）提铀和脉冲电化学插层法提锂。
海水中存有大量的矿物资源，从海水中提取资源并不陌生，比如氯碱工业。但是海水中浓度较低的元素，在提取技术上存在很大的挑战。实现低浓度元素的提取，依赖新材料、新技术的开发以及对分离技术中存在的基础科学问题的研究。
“我希望我们开发的电化学方法能够在实现大规模的海水采矿的同时，能避免对海洋环境和生态造成负面影响。电化学采矿的可行性可观，可与已有的海上太阳能和风能有效结合并实现清洁能源驱动的电化学生产。” 刘翀表示。
凭借创新性的铀和锂提取方式及创新性可见光饮用水杀菌技术，刘翀也入选 《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人” 2020 年中国区榜单。
图 | 芝加哥大学 Pritzker 分子工程学院助理教授刘翀
从海水中提取铀和锂，为新能源可持续发展提供创新解决方案
铀和锂是核能与电能储存的重要原料，它们虽然在海水中广泛存在，但提取难度高，因此目前依旧以矿石开采作为主要获取方式。
实际上，铀并不是海水的主要构成成分，相比是钠、镁、钙等主要离子元素，铀的数量级非常小，占比仅为其（钠、镁、钙等元素）百万分之一，这也增加了铀的提取难度。
刘翀告诉《麻省理工科技评论》中国，海水中低浓度元素的提取需要新材料以及新的分离技术。对此她开发了两种电化学方法从海水中提取铀和锂：半波整流交流电化学方法（HW-ACE）提铀和脉冲电化学插层法提锂。
如果采用一般恒流恒压电化学方法在水环境中提铀，那么在提取过程中电流效率会全部供给于产氢产氧，相当于在电解水，根本无法提取到铀。
采用半波整流电化学方法，通过限制电子传输到电极的时间，在产氢反应发生之前竞争铀的分离时间，完成电化学沉积，从而实现铀的提取过程。
半波整流交流电化学方法还能有效减少副反应，提取铀的容量比传统吸附高 9 倍，动力学速度快 4 倍。
通过半波整流交流电化学方法提取的铀氧化物还需要进行同位素分离，并在后期不断提纯，从而达到核能、电能的元素使用标准。
图 | Nature Energy 收录了刘翀关于海水中提取铀元素的研究
与铀相比，锂元素在海水中较为常见，数量级与钠仅差了几万。锂与钠的化学性质相似，这也造成了锂提取过程中与钠竞争的复杂性。
此前业内有通过电化学方法从盐湖中提取锂的案例，但刘翀在浓度更低的海水中做锂提取还是首次。
为了抑制与化学上相似钠离子的竞争，刘翀开创了脉冲电化学插层法提锂。该方法中的静止时间允许离子重新分布，而反向电流能去除了晶格中的钠，极大改善了电极材料的选择性和稳定性。
图 | 刘翀发表的《用电化学方式在海水中提锂》研究被收录在 Joule 期刊中
这两项工作实现了从海水直接以固体形态提取铀和锂，为以新能源为驱动力的可持续资源开发提供了创新解决方案。
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