Dwuwymiarowa bioinżynieryjna membrana

Chiny posiadają liczne zasoby solanki, takie jak słone jeziora i woda morska, a solanki te zawierają znaczne pierwiastki strategiczne, takie jak uran i lit. Efektywne zagospodarowanie tych zasobów może nie tylko poprawić stopień samowystarczalności kluczowych surowców, ale ma także istotne znaczenie dla strategicznego bezpieczeństwa państwa.

Jednak tradycyjna technologia ekstrakcji stoi przed ogromnymi wyzwaniami ze względu na wysokie koszty, duże zużycie energii i poważne zanieczyszczenie, w związku z czym pilnie potrzebuje innowacji technologicznych. Natomiast technologia separacji membranowej stała się potencjalnym rozwiązaniem powyższych problemów ze swoimi zaletami, takimi jak wysoka selektywność, niski wpływ na środowisko i niskie zużycie energii.

Podstawą technologii separacji membranowej są badania i rozwój membran separacyjnych. Jednak tradycyjne membrany separacyjne opierają się głównie na przesiewaniu wielkości porów, co utrudnia separację uwodnionych jonów o podobnych rozmiarach.

Jako powstająca membrana separacyjna, membrany dwuwymiarowe mają ogromny potencjał zastosowania w dziedzinie separacji jonów i molekuł ze względu na kontrolowane odstępy między warstwami i łatwo funkcjonalizowane jednostki jednoatomowe.

Jednakże międzywarstwowa przestrzeń przenoszenia masy w membranach dwuwymiarowych jest zbyt mała (poziom poniżej nanometra), a realizacja precyzyjnej kontroli porów z dokładnością do nanometra i modyfikacja funkcjonalna nadal stoi przed ogromnymi wyzwaniami.

W oparciu o powyższe tło profesor Chen Ximeng i zespół badacza Li Zhana z Centrum Nauki o Pograniczach Rare Isotope przy Ministerstwie Edukacji Uniwersytetu w Lanzhou zaproponowali serię strategii kontroli wielkości i modyfikacji funkcjonalnej dwuwymiarowych membranowych kanałów transportu masy, oraz poczynił istotne postępy w dziedzinie dokładnej identyfikacji i skutecznego oddzielania uranu i litu w złożonych układach solanki. Osiągnięcia te nie tylko zapewniają nowe technologie wydobycia strategicznych zasobów uranu i litu, ale także promują globalne bezpieczeństwo energetyczne i zrównoważony rozwój środowiska.

Zespół badawczy wstawił Escherichia coli zmodyfikowaną białkiem wiążącym superuranyl (SUP) do dwuwymiarowej (2D) warstwy MXene (Ti3C2TX) i opracował dwuwymiarową wielofunkcyjną membranę kompozytową o strukturze książkowej poprzez samoczynną tendencję ciśnieniową -proces montażu, w wyniku którego uzyskano dokładną identyfikację i skuteczną separację jonów uranylu w wodzie morskiej.

SUP zapewnia bionieorganicznej membranie hybrydowej ultrawysoką selektywność w stosunku do jonów uranylu, podczas gdy modyfikowana Escherichia coli poprawia wytrzymałość mechaniczną i ekonomiczność membrany. Wyniki eksperymentów pokazują, że membrana umożliwia dokładną identyfikację jonów uranylu i doskonałe właściwości ekranowania jonów (SFU/V≈43, SFNa/U≈158).

Doskonała wydajność separacji i testy stabilności cyklicznej potwierdzają potencjał zastosowania membrany w przemyśle. Wyniki badań zostały opublikowane w słynnym czasopiśmie Nano Letters of the American Chemical Society w listopadzie 2024 r., zatytułowane „Layered Bio-Inorganic MXene Membranes: A Green Approach for Uranium Extraction from Seawater Using Genetically Modified E. coli”. Pierwszym autorem artykułu jest student studiów magisterskich Mao Xiaonan, a współautorami artykułu są Li Zhan, badacz z Frontier Science Center of Rare Isotopes na Uniwersytecie w Lanzhou, i Tian Longlong, młody badacz.

Zespół badawczy wykorzystał efekt synergistyczny między metalami do opracowania nowego typu membrany kompozytowej bimetalicznej struktury organicznej (MOF)/tlenku grafenu (GO) pomiędzy warstwami tlenku grafenu. Oznacza to, że 2-metyloimidazol wprowadza się do międzywarstwy tlenku grafenu w temperaturze pokojowej, a następnie Zn2+ i Co2+ są wychwytywane przez nanocząsteczki tlenku grafenu i tworzą silne wiązania koordynacyjne z ligandami imidazolowymi , realizując syntezę in situ ZIF-8 i ZIF-67 w międzywarstwie tlenku grafenu.

Praca ta głównie wyjaśnia nową strategię syntezy bocznych kanałów heterogenicznych poprzez strategię wymiany jonowej w dwuwymiarowej przestrzeni subnano i wykorzystuje ją do ekstrakcji litu z prawdziwych słonych jezior, a jej współczynnik separacji dla litu i magnezu może osiągnąć 191. Ta innowacyjna membrana Materiał nie tylko zwiększa zdolność wydobycia litu, ale także przezwycięża wiele niedociągnięć istniejących technologii, zapewniając cynkowe rozwiązanie do zrównoważonej ekstrakcji zasobów litu ze słonych jezior.

Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Nano Letters Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego pod tytułem „2D Membranes Interlayered with Bimetallic Metal-Organic Frameworks for Lithium Separation from Brines”. Yuan Furong, student studiów magisterskich przeszkolony wspólnie przez Uniwersytet w Lanzhou i Instytut Jezior Słonych Qinghai Chińskiej Akademii Nauk, jest pierwszym autorem artykułu, a Peng Jiaoyu, pracownik naukowy w Instytucie Jezior Słonych Qinghai, oraz Li Zhan , badacz w Frontier Science Center of Rare Isotopes na Uniwersytecie w Lanzhou, są współautorami-korespondentami.

Ponadto zespół badawczy zaprojektował także porowaty nanoarkusz ZnFe2O4/ZnO i osadził go w subnanokanałowym kanale międzywarstwowym regulowanym przez Ag+, tworząc unikalną dwuwymiarową heterogeniczną strukturę kanałów.

W tym kanale atomy tlenu przenoszą ładunki ujemne i silnie oddziałują z jonami magnezu o dużej gęstości ładunku, dzięki czemu dokładnie „blokują” jony magnezu, natomiast jony litu mogą szybko przechodzić. Mechanizm ten różni się od tradycyjnego mechanizmu odpychania ładunku powierzchniowego, który opiera się jedynie na efekcie odpychania ładunku na powierzchni membrany, natomiast mechanizm blokowania ładunku ma wyższą selektywność poprzez osiągnięcie precyzyjnego wychwytu jonów w strukturze międzywarstwowej.

Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Advanced Science pod tytułem „Fine-Tuning 2D Heterogeneous Channels for Charge-Lock Enhanced Lithium Separation from Brine”. Doktorant Hao Yaxin jest pierwszym autorem artykułu, a badacz Li Zhan z Rare Isotope Frontier Science Center na Uniwersytecie w Lanzhou jest autorem korespondencyjnym.

Profesor Chen Ximeng i profesor Wu Wangsuo przedstawili ważne sugestie ulepszeń powyższej pracy. Powyższymi pracami kierowało Centrum Nauki Rare Isotope Frontier Science Centre na Uniwersytecie w Lanzhou, a Instytut Słonych Jezior Qinghai Chińskiej Akademii Nauk i Uniwersytet Narodowości Qinghai zapewniły silne wsparcie dla tych prac. Powyższe prace badawcze zostały sfinansowane przez Narodowy Program Badań i Rozwoju, Chińską Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych oraz Międzyzespołowy projekt dotyczący podstawowych badań biznesowych na Uniwersytecie w Lanzhou.

[Link do artykułu]

Litery Nano: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c04709

Litery Nano: https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.4c04040

Zaawansowana nauka: https://doi.org/10.1002/advs.202406535