Estructura atómica de la membrana de vermiculita que muestra capas 2D soportadas por pilares de óxido de aluminio. Las bolas amarillas son iones de sodio dopados. Crédito: Laboratorio Nacional de Argonne
El litio, el metal más ligero en la mesa periódica, juega un papel fundamental en la vida moderna. Su bajo peso y alta densidad de energía lo hacen ideal para vehículos eléctricos, teléfonos celulares, computadoras portátiles y tecnologías militares donde cada onza cuenta. A medida que la demanda de skirrockets de litio, las preocupaciones sobre la oferta y la confiabilidad están creciendo.
Para ayudar a satisfacer la creciente demanda y posibles problemas de la cadena de suministro, los científicos del Laboratorio Nacional de Argonne del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) han desarrollado una tecnología de membrana innovadora que extrae eficientemente el litio del agua. Varios miembros del equipo también tienen citas conjuntas con la Escuela de Ingeniería Molecular Pritzker (PME) en la Universidad de Chicago.
Los hallazgos aparecen en el diario Materiales avanzados.
“La nueva membrana que hemos desarrollado ofrece una alternativa potencial de bajo costo y abundante para la extracción de litio aquí en casa”, dijo Seth Darling, directora de ciencia y tecnología de la Dirección de Tecnologías de Energía Avanzada de Argonne. También es Director del Centro de Investigación de Fronteras de Energy Systems de Materiales Avanzados (AMEWS) en Argonne y un científico senior de PME.
En este momento, la mayor parte del litio del mundo proviene de la minería de roca dura y los lagos de sal en solo unos pocos países, dejando las cadenas de suministro vulnerables a la interrupción. Sin embargo, la mayor parte del litio de la Tierra se disuelve en agua de agua de mar y en reservas de agua salada subterránea.
El problema? Extraerlo de estas fuentes no convencionales ha sido prohibitivamente costoso, hambriento de energía e ineficiente. Los métodos tradicionales luchan por separar el litio de otros elementos más abundantes como el sodio y el magnesio.
En agua salada, litio y otros elementos existen como cationes. Estos son átomos que han perdido uno o más electrones, dándoles una carga eléctrica positiva. La clave para la extracción eficiente de litio radica en filtrar los otros cationes según el tamaño y el grado de carga.
La nueva membrana ofrece una solución prometedora de bajo costo. Está hecho de vermiculita, una arcilla naturalmente abundante que cuesta solo alrededor de $ 350 por tonelada. El equipo desarrolló un proceso para despegar la arcilla en capas ultrafinas, solo una milésima parte de un metro de espesor, y luego reenviarlos para formar una especie de filtro. Estas capas son tan delgadas, se consideran 2D.
Pero hubo un enganche: sin tratar, las capas de arcilla se desmoronan en agua en media hora debido a su fuerte afinidad.
Para resolver este problema, los investigadores insertaron pilares microscópicos de óxido de aluminio entre las capas, dando a la estructura el aspecto de un estacionamiento de gran altura en construcción, con muchos pilares sólidos que contienen cada “piso” en su lugar. Esta arquitectura evita el colapso mientras neutraliza la carga superficial negativa de la membrana, un paso crucial para las modificaciones posteriores.
Luego, los cationes de sodio se introdujeron en la membrana, donde se asentaron alrededor de los pilares de óxido de aluminio. Esto cambió la carga superficial de la membrana de neutral a positivo. En el agua, tanto los iones de magnesio como de litio tienen una carga positiva, pero los iones de magnesio tienen una carga más alta (+2) en comparación con los iones de litio (+1).
La superficie cargada positivamente de la membrana repele los iones de magnesio de mayor carga con más fuerza que los iones de litio. Esta diferencia permite que la membrana capture los iones de litio más fácilmente mientras mantiene afuera los iones de magnesio.
Para refinar aún más el rendimiento, el equipo agregó aún más iones de sodio. Esto disminuyó el tamaño de poro de la membrana. El resultado es que la membrana permite que los iones más pequeños como el sodio y el potasio pasen mientras atrapan los iones de litio más grandes.
“Filtrado tanto por tamaño de ión como por carga, nuestra membrana puede sacar el litio del agua con mucha mayor eficiencia”, dijo el primer autor Yining Liu, un doctorado. candidato en Uchicago y miembro del equipo de Amews. “Tal membrana podría reducir nuestra dependencia de los proveedores extranjeros y abrir la puerta a nuevas reservas de litio en lugares que nunca consideramos”.
Los investigadores creen que este avance podría tener aplicaciones más amplias, desde recuperar otros materiales clave como níquel, cobalto y elementos de tierras raras, hasta eliminar contaminantes nocivos de los suministros de agua.
“Hay muchos tipos de este material de arcilla”, dijo Liu. “Estamos explorando cómo podría ayudar a recolectar elementos críticos del agua de mar y saltina salada o incluso ayudar a limpiar nuestra agua potable”.
Más información: Yining Liu et al, membranas de vermiculita laminar en pilares con selectividad de iones monovalente y multivalente sintonizable, materiales avanzados (2025). Dos: 10.1002/ADMA.202417994
Proporcionado por el Laboratorio Nacional de Argonne
Cita: Las capas de membrana de arcilla ultrafina ofrecen una alternativa de bajo costo para extraer litio del agua (2025, 10 de julio) Recuperado el 10 de julio de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-07-ulltrathin-clay-membrane-layers-alternative.html
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