圖 1. 硬巖開采提鋰工藝

通過借助愛丁堡儀器公司的RM5顯微共聚焦拉曼光譜儀，研究人員觀測到在650℃ 和750℃ 條件下α-鋰輝石和輝綠巖向β-鋰輝石的相變過程。通過拉曼光譜儀的精密分析，他們成功識別出礦物內(nèi)部促進這些相變的包裹體，并依據(jù)其獨特的晶體結(jié)構(gòu)特征確認了β-鋰輝石的形成。此外，拉曼光譜分析進一步揭示，鈉的摻雜有助于β-鋰輝石的形成，而非產(chǎn)生副產(chǎn)物β-石英。這一研究成果有望顯著提升鋰提取工藝的可持續(xù)性。

圖 2. 愛丁堡儀器公司 RM5顯微共聚焦拉曼光譜儀

圖 3. 經(jīng)過 650 °C 熱處理和鈉摻雜后，鋰輝石中 α-β 相變的拉曼光譜

此外，研究還成功實現(xiàn)了在750°C條件下從輝綠巖到β-鋰輝石的相變。這一相變過程得到了拉曼光譜的有力驗證：具體而言，在490 cm^-1波段處，盡管該波段在輝綠巖中的強度相對較低，但與370 cm^-1處的雙線波段相比，它已成為主要波段。該490 cm^-1波段再次展現(xiàn)了四方晶格中對稱的T-O-T伸展振動特征，但其位置相較于在α-鋰輝石晶體中轉(zhuǎn)化而來的β-鋰輝石而言，向低頻方向偏移了5 cm^-1。這一偏移現(xiàn)象歸因于輝綠巖與α-鋰輝石之間硅鋁比例的差異。

在測試過程中還觀測到一個低頻波段的存在，這可能是β-石英的潛在影響。然而，在后續(xù)的重復(fù)摻鈉實驗中，該波段近乎消失，這有力地表明鈉的富集更傾向于促進β-鋰輝石的形成，而非β-石英。

圖 4. 750 °C 時從輝綠巖到 β-鋰輝石和 β-石英 的相變的拉曼光譜

由于輝綠巖中 SiO₂:LiAlO₂ 的比例是 α-鋰輝石的兩倍，因此從輝綠巖中提取的 β-鋰輝石富含更多的二氧化硅，因此鋰含量相對較低。

為了探究二氧化硅含量對β-鋰輝石生長的影響，我們合成了不同組成的鋰鋁硅酸鹽（包括LiAlSi₂O₆、LiAlSi_2.9O_7.8和LiAlSi?O??），并在1430°C下進行高溫處理，隨后冷卻結(jié)晶。拉曼光譜分析結(jié)果顯示，在LiAlSi₂O₆和LiAlSi_2.9O_7.8樣品中成功檢測到了β-鋰輝石的存在，而LiAlSi?O??樣品中則僅觀察到β-石英。這些光譜數(shù)據(jù)詳見圖5。值得注意的是，隨著二氧化硅含量的增加，T-O-T（四面體-氧-四面體）伸展帶的光譜從495 cm^-1向492 cm^-1偏移，這一變化揭示了β-石英結(jié)構(gòu)發(fā)生的細微調(diào)整。此外，在β-石英中，隨著二氧化硅比例的上升，483 cm^-1波段的移動幅度相對較小，表明其結(jié)構(gòu)正逐漸趨向于以SiO?為主導(dǎo)的構(gòu)型。

圖 5. 從 LiAlSi₂O₆、LiAlSi_2.9O_7.8 和 LiAlSi₄O₁₀ 熔體中結(jié)晶出的合成鋰鋁硅酸鹽中的β-鋰輝石和 β-石英的拉曼光譜

最后，采用熔融的NaNO?對LiAlSi_2.9O_7.8進行處理，旨在實現(xiàn)鋰的提取。拉曼光譜分析結(jié)果顯示，經(jīng)過處理后，β-鋰輝石和 β-石英的結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，未發(fā)生明顯變化。同時，分析還確認有65%至70%的鋰被鈉成功置換，相關(guān)結(jié)果如圖6所示。

圖 6. 在硝酸鈉熔融池中進行離子交換后，LiAlSi_2.9O_7.8 碎片中的 β-鋰輝石相和 β-石英相的拉曼光譜