Todimensjonal bioengineert membran

Kina har mange saltlakeressurser som saltsjøer og sjøvann, og disse saltlakene inneholder betydelige strategiske elementer som uran og litium. En effektiv utvikling av disse ressursene kan ikke bare forbedre selvforsyningsgraden for sentrale råvarer, men har også viktig betydning for nasjonal strategisk sikkerhet.

Tradisjonell utvinningsteknologi står imidlertid overfor store utfordringer på grunn av høye kostnader, høye energiforbruk og alvorlige forurensninger, og har et presserende behov for teknologisk innovasjon. I motsetning til dette har membranseparasjonsteknologi blitt en potensiell løsning på problemene ovenfor med sine fordeler høy selektivitet, lav miljøpåvirkning og lavt energiforbruk.

Kjernen i membranseparasjonsteknologi ligger i forskning og utvikling av separasjonsmembraner. Imidlertid er tradisjonelle separasjonsmembraner hovedsakelig avhengige av porestørrelsesscreening, noe som gjør det vanskelig å oppnå separasjon av hydratiserte ioner av lignende størrelser.

Som en fremvoksende separasjonsmembran har todimensjonale membraner stort brukspotensial innen ion- og molekylseparasjon på grunn av deres kontrollerbare mellomlagsavstand og enkelt funksjonaliserte enkeltatomenheter.

Imidlertid er mellomlagsmasseoverføringsrommet til todimensjonale membraner for lite (sub-nanometernivå), og realiseringen av sub-nanometer pore presis kontroll og funksjonell modifikasjon står fortsatt overfor store utfordringer.

Basert på bakgrunnen ovenfor foreslo professor Chen Ximeng og forsker Li Zhans team fra Rare Isotope Frontier Science Center ved utdanningsdepartementet ved Lanzhou University en rekke strategier for størrelseskontroll og funksjonell modifikasjon av todimensjonale membranmasseoverføringskanaler, og gjorde viktige fremskritt innen nøyaktig identifikasjon og effektiv separasjon av uran og litium i komplekse saltlakesystemer. Disse prestasjonene gir ikke bare ny teknologi for utvinning av strategiske uran- og litiumressurser, men fremmer også global energisikkerhet og miljømessig bærekraft.

Forskerteamet satte inn Escherichia coli modifisert med superuranylbindende protein (SUP) i et todimensjonalt (2D) MXene (Ti3C2TX) lag, og utviklet en "boklignende struktur" todimensjonal multifunksjonell komposittmembran gjennom et trykktrend-selv -monteringsprosess, som oppnådde nøyaktig identifikasjon og effektiv separasjon av uranylioner i sjøvann.

SUP gir den bio-uorganiske hybridmembranen en ultrahøy selektivitet for uranylioner, mens den konstruerte Escherichia coli forbedrer den mekaniske styrken og økonomien til membranen. De eksperimentelle resultatene viser at membranen oppnår nøyaktig identifikasjon av uranylioner og utmerket ionescreeningsytelse (SFU/V≈43, SFNa/U≈158).

Den utmerkede separasjonsytelsen og sykliske stabilitetstestene beviser det industrielle brukspotensialet til membranen. Dette forskningsresultatet ble publisert i det berømte tidsskriftet Nano Letters fra American Chemical Society i november 2024, med tittelen "Layered Bio-Inorganic MXene Membranes: A Green Approach for Uranium Extraction from Seawater Using Geneically Modified E. coli". Masterstudent Mao Xiaonan er den første forfatteren av artikkelen, og Li Zhan, en forsker ved Frontier Science Center of Rare Isotopes ved Lanzhou University, og Tian Longlong, en ung forsker, er de samme forfatterne av artikkelen.

Forskerteamet brukte den synergistiske effekten mellom metaller for å utvikle en ny type bimetallisk organisk rammeverk (MOF)/grafenoksid (GO) komposittmembran mellom grafenoksidlag. Det vil si at 2-metylimidazol introduseres i mellomlaget av grafenoksid ved romtemperatur, og deretter blir Zn2+ og Co2+ fanget opp av grafenoksidnanoark og danner sterke koordinasjonsbindinger med imidazolligander , realisere in situ-syntesen av ZIF-8 og ZIF-67 i mellomlaget av grafen oksid.

Dette arbeidet tydeliggjør hovedsakelig den nye strategien for å syntetisere laterale heterogene kanaler gjennom ionebyttestrategi i todimensjonale sub-nano-rom og bruker den til litiumekstraksjon fra ekte saltsjøer, og dens separasjonsfaktor for litium og magnesium kan nå 191. Denne innovative membranen materiale forbedrer ikke bare utvinningskapasiteten til litium, men overvinner også mange mangler ved eksisterende teknologier, og gir en sinkløsning for bærekraftig utvinning av litiumressurser fra saltsjøer.

Dette forskningsresultatet ble publisert i American Chemical Society-tidsskriftet Nano Letters under tittelen "2D Membranes Interlayered with Bimetallic Metal-Organic Frameworks for Lithium Separation from Brines". Yuan Furong, en masterstudent opplært i fellesskap av Lanzhou University og Qinghai Institute of Salt Lakes, Chinese Academy of Sciences, er den første forfatteren av artikkelen, og Peng Jiaoyu, en assisterende forsker ved Qinghai Institute of Salt Lakes, og Li Zhan , en forsker ved Frontier Science Center of Rare Isotopers ved Lanzhou University, er med-tilsvarende forfattere.

I tillegg designet forskerteamet også et porøst ZnFe2O4/ZnO nanoark og innebygde det i sub-nano-mellomlagskanalen regulert av Ag+, og danner en unik todimensjonal heterogen kanalstruktur.

I denne kanalen bærer oksygenatomer negative ladninger og samhandler sterkt med magnesiumioner med høy ladningstetthet, og "låser" derved nøyaktig magnesiumioner, mens litiumioner kan passere raskt. Denne mekanismen er forskjellig fra den tradisjonelle overflateladningsfrastøtningsmekanismen, som kun er avhengig av ladningsfrastøtningseffekten på membranoverflaten, mens ladningslåsemekanismen har høyere selektivitet ved å oppnå presis ionefangst i mellomlagsstrukturen.

Forskningsresultatene ble publisert i Advanced Science under tittelen "Fine-Tuning 2D Heterogeneous Channels for Charge-Lock Enhanced Lithium Separation from Brine". Doktorgradsstudent Hao Yaxin er den første forfatteren av artikkelen, og forsker Li Zhan fra Rare Isotope Frontier Science Center ved Lanzhou University er den tilsvarende forfatteren av artikkelen.

Professor Chen Ximeng og professor Wu Wangsuo ga viktige forbedringsforslag for arbeidet ovenfor. Ovennevnte arbeid ble ledet av Rare Isotope Frontier Science Center ved Lanzhou University, og Qinghai Institute of Salt Lakes ved Chinese Academy of Sciences og Qinghai Nationalities University ga sterk støtte til dette arbeidet. Ovennevnte forskningsarbeid ble finansiert av National Key R&D Program, National Natural Science Foundation of China, og Lanzhou University Central University Basic Research Business Expenses Cross-Team Project.

[Artikkellenke]

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

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

Advanced Science: https://doi.org/10.1002/advs.202406535