Membran Bioengineered dua dimensi

China mempunyai banyak sumber air garam seperti tasik garam dan air laut, dan air garam ini mengandungi unsur strategik yang besar seperti uranium dan litium. Pembangunan cekap sumber ini bukan sahaja dapat meningkatkan kadar sara diri bahan mentah utama, tetapi juga mempunyai kepentingan penting untuk keselamatan strategik negara.

Walau bagaimanapun, teknologi pengekstrakan tradisional menghadapi cabaran besar kerana kosnya yang tinggi, penggunaan tenaga yang tinggi, dan pencemaran yang serius, serta memerlukan inovasi teknologi dengan segera. Sebaliknya, teknologi pemisahan membran telah menjadi penyelesaian yang berpotensi kepada masalah di atas dengan kelebihan selektiviti tinggi, kesan alam sekitar yang rendah dan penggunaan tenaga yang rendah.

Teras teknologi pemisahan membran terletak pada penyelidikan dan pembangunan membran pemisahan. Walau bagaimanapun, membran pemisahan tradisional terutamanya bergantung pada penyaringan saiz liang, yang menjadikannya sukar untuk mencapai pemisahan ion terhidrat dengan saiz yang sama.

Sebagai membran pemisah yang baru muncul, membran dua dimensi mempunyai potensi aplikasi yang besar dalam bidang pemisahan ion dan molekul kerana jarak antara lapisan yang boleh dikawal dan unit atom tunggal yang mudah difungsikan.

Walau bagaimanapun, ruang pemindahan jisim antara lapisan membran dua dimensi adalah terlalu kecil (tahap sub-nanometer), dan realisasi kawalan tepat liang sub-nanometer dan pengubahsuaian fungsi masih menghadapi cabaran besar.

Berdasarkan latar belakang di atas, Profesor Chen Ximeng dan pasukan Penyelidik Li Zhan dari Pusat Sains Rare Isotope Frontier Kementerian Pendidikan Universiti Lanzhou mencadangkan satu siri strategi untuk kawalan saiz dan pengubahsuaian fungsi saluran pemindahan jisim membran dua dimensi, dan membuat kemajuan penting dalam bidang pengenalpastian yang tepat dan pemisahan uranium dan litium yang cekap dalam sistem air garam yang kompleks. Pencapaian ini bukan sahaja menyediakan teknologi baharu untuk pengekstrakan sumber uranium dan litium strategik, tetapi juga menggalakkan keselamatan tenaga global dan kelestarian alam sekitar.

Pasukan penyelidik memasukkan Escherichia coli yang diubah suai dengan protein pengikat uranil super (SUP) ke dalam lapisan MXene (Ti3C2TX) dua dimensi (2D) dan membangunkan "struktur seperti buku" membran komposit pelbagai fungsi dua dimensi melalui aliran tekanan sendiri -proses pemasangan, yang mencapai pengenalpastian yang tepat dan pemisahan ion uranil yang cekap dalam air laut.

SUP memberikan membran hibrid bio-tak organik selektiviti ultra tinggi untuk ion uranil, manakala Escherichia coli yang direka bentuk meningkatkan kekuatan mekanikal dan ekonomi membran. Keputusan eksperimen menunjukkan bahawa membran mencapai pengecaman tepat ion uranil dan prestasi saringan ion yang sangat baik (SFU/V≈43, SFNa/U≈158).

Prestasi pemisahan yang sangat baik dan ujian kestabilan kitaran membuktikan potensi aplikasi industri membran. Hasil penyelidikan ini telah diterbitkan dalam jurnal terkenal Nano Letters of the American Chemical Society pada November 2024, bertajuk "Layered Bio-Inorganic MXene Membranes: A Green Approach for Uranium Extraction from Seawater using Genetically Modified E. coli". Pelajar sarjana Mao Xiaonan ialah pengarang pertama kertas itu, dan Li Zhan, seorang penyelidik di Pusat Sains Frontier Isotop Jarang Universiti Lanzhou, dan Tian Longlong, seorang penyelidik muda, adalah pengarang yang sepadan dengan kertas itu.

Pasukan penyelidik menggunakan kesan sinergistik antara logam untuk membangunkan jenis membran komposit rangka kerja organik dwilogam (MOF)/graphene oksida (GO) baharu di antara lapisan graphene oksida. Iaitu, 2-methylimidazole dimasukkan ke dalam interlayer graphene oxide pada suhu bilik, dan kemudian Zn2+ dan Co2+ ditangkap oleh nanosheet graphene oxide dan membentuk ikatan koordinasi yang kuat dengan ligan imidazole , merealisasikan sintesis in-situ ZIF-8 dan ZIF-67 dalam interlayer graphene oxide.

Kerja ini terutamanya menjelaskan strategi baharu untuk mensintesis saluran heterogen sisi melalui strategi pertukaran ion dalam ruang sub-nano dua dimensi dan menggunakannya untuk pengekstrakan litium dari tasik garam sebenar, dan faktor pemisahannya untuk litium dan magnesium boleh mencapai 191. Membran inovatif ini bahan bukan sahaja meningkatkan kapasiti pengekstrakan litium, tetapi juga mengatasi banyak kekurangan teknologi sedia ada, menyediakan penyelesaian zink untuk pengekstrakan sumber litium yang mampan dari tasik masin.

Hasil penyelidikan ini diterbitkan dalam jurnal American Chemical Society Nano Letters di bawah tajuk "2D Membranes Interlayered with Bimetallic Metal-Organic Frameworks for Lithium Separation from Brines". Yuan Furong, pelajar sarjana yang dilatih bersama oleh Universiti Lanzhou dan Institut Tasik Garam Qinghai, Akademi Sains China, ialah pengarang pertama kertas kerja itu, dan Peng Jiaoyu, penyelidik bersekutu di Institut Tasik Garam Qinghai, dan Li Zhan , seorang penyelidik di Pusat Sains Frontier Isotop Jarang Universiti Lanzhou, adalah pengarang yang sepadan.

Selain itu, pasukan penyelidik juga mereka bentuk nanosheet ZnFe2O4/ZnO berliang dan membenamkannya dalam saluran interlayer sub-nano yang dikawal oleh Ag+, membentuk struktur saluran heterogen dua dimensi yang unik.

Dalam saluran ini, atom oksigen membawa cas negatif dan berinteraksi kuat dengan ion magnesium dengan ketumpatan cas yang tinggi, dengan itu "mengunci" ion magnesium dengan tepat, manakala ion litium boleh lulus dengan cepat. Mekanisme ini berbeza daripada mekanisme tolakan cas permukaan tradisional, yang hanya bergantung pada kesan tolakan cas pada permukaan membran, manakala mekanisme penguncian cas mempunyai selektiviti yang lebih tinggi dengan mencapai tangkapan ion yang tepat dalam struktur interlayer.

Hasil penyelidikan telah diterbitkan dalam Sains Lanjutan di bawah tajuk "Saluran Heterogen 2D Penalaan Halus untuk Pengasingan Litium Dipertingkatkan Kunci Caj daripada Air Garam". Pelajar kedoktoran Hao Yaxin ialah pengarang pertama makalah itu, dan penyelidik Li Zhan dari Pusat Sains Rare Isotope Frontier Universiti Lanzhou ialah pengarang yang sepadan bagi kertas itu.

Profesor Chen Ximeng dan Profesor Wu Wangsuo memberikan cadangan penambahbaikan penting untuk kerja di atas. Kerja di atas diketuai oleh Pusat Sains Sempadan Isotop Jarang di Universiti Lanzhou, dan Institut Tasik Garam Qinghai Akademi Sains China dan Universiti Kebangsaan Qinghai memberikan sokongan padu untuk kerja ini. Kerja-kerja penyelidikan di atas dibiayai oleh Program R&D Utama Kebangsaan, Yayasan Sains Semula Jadi Kebangsaan China, dan Projek Perbelanjaan Perniagaan Penyelidikan Asas Universiti Lanzhou Universiti Tengah.

[Pautan artikel]

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

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

Sains Lanjutan: https://doi.org/10.1002/advs.202406535