Kina har många saltlakeresurser som saltsjöar och havsvatten, och dessa saltlösningar innehåller betydande strategiska element som uran och litium. En effektiv utveckling av dessa resurser kan inte bara förbättra självförsörjningsgraden för viktiga råvaror, utan har också en viktig betydelse för nationell strategisk säkerhet.
Traditionell utvinningsteknik står dock inför stora utmaningar på grund av dess höga kostnader, höga energiförbrukning och allvarliga föroreningar, och behöver akut teknisk innovation. Däremot har membranseparationsteknologi blivit en potentiell lösning på ovanstående problem med dess fördelar med hög selektivitet, låg miljöpåverkan och låg energiförbrukning.
Kärnan i membranseparationsteknologin ligger i forskning och utveckling av separationsmembran. Traditionella separationsmembran förlitar sig emellertid huvudsakligen på porstorleksscreening, vilket gör det svårt att uppnå separation av hydratiserade joner av liknande storlek.
Som ett framväxande separationsmembran har tvådimensionella membran stor tillämpningspotential inom området jon- och molekylseparation på grund av deras kontrollerbara avstånd mellan skikten och enkelt funktionaliserade enkla atomenheter.
Emellertid är mellanskiktsmassöverföringsutrymmet för tvådimensionella membran för litet (subnanometernivå), och förverkligandet av subnanometers porexakt kontroll och funktionell modifiering står fortfarande inför stora utmaningar.
Baserat på ovanstående bakgrund föreslog professor Chen Ximeng och forskaren Li Zhans team från Rare Isotope Frontier Science Center vid utbildningsministeriet vid Lanzhou University en serie strategier för storlekskontroll och funktionell modifiering av tvådimensionella membranmassöverföringskanaler, och gjorde viktiga framsteg inom området för noggrann identifiering och effektiv separation av uran och litium i komplexa saltlösningssystem. Dessa prestationer ger inte bara ny teknik för utvinning av strategiska uran- och litiumresurser, utan främjar också global energisäkerhet och miljömässig hållbarhet.
Nya framsteg inom uranutvinning från havsvatten med tvådimensionella biotekniska membran
Forskargruppen infogade Escherichia coli modifierad med superuranylbindande protein (SUP) i ett tvådimensionellt (2D) MXene (Ti3C2TX) skikt, och utvecklade ett "bokliknande struktur" tvådimensionellt multifunktionellt kompositmembran genom ett trycktrend själv -monteringsprocess, som uppnådde noggrann identifiering och effektiv separation av uranyljoner i havsvatten.
SUP ger det bio-oorganiska hybridmembranet en ultrahög selektivitet för uranyljoner, medan den konstruerade Escherichia coli förbättrar membranets mekaniska styrka och ekonomi. De experimentella resultaten visar att membranet uppnår noggrann identifiering av uranyljoner och utmärkt jonscreeningsprestanda (SFU/V≈43, SFNa/U≈158).
Den utmärkta separationsprestanda och cykliska stabilitetstester bevisar membranets industriella tillämpningspotential. Detta forskningsresultat har publicerats i den berömda tidskriften Nano Letters från American Chemical Society i november 2024, med titeln "Layered Bio-Inorganic MXene Membranes: A Green Approach for Uranium Extraction from Seawater Using Geneically Modified E. coli". Masterstudenten Mao Xiaonan är den första författaren till uppsatsen, och Li Zhan, en forskare vid Frontier Science Center of Rare Isotopers vid Lanzhou University, och Tian Longlong, en ung forskare, är de medförfattare till artikeln.
Tvådimensionellt multifunktionellt kompositmembran hjälper ny teknik för litiumextraktion från saltsjöar
Forskargruppen använde den synergistiska effekten mellan metaller för att utveckla en ny typ av bimetalliskt organiskt ramverk (MOF)/grafenoxid (GO) kompositmembran mellan grafenoxidskikt. Det vill säga, 2-metylimidazol införs i mellanskiktet av grafenoxid vid rumstemperatur, och sedan fångas Zn2+ och Co2+ av grafenoxidnanoark och bildar starka koordinationsbindningar med imidazolligander , förverkliga in-situ syntesen av ZIF-8 och ZIF-67 i mellanskiktet av grafen oxid.
Detta arbete förtydligar huvudsakligen den nya strategin att syntetisera laterala heterogena kanaler genom jonbytesstrategi i tvådimensionellt sub-nano rymd och använder den för litiumextraktion från riktiga saltsjöar, och dess separationsfaktor för litium och magnesium kan nå 191. Detta innovativa membran material förbättrar inte bara utvinningskapaciteten hos litium, utan övervinner också många brister hos befintliga tekniker, vilket ger en zinklösning för det hållbara utvinning av litiumresurser från saltsjöar.
Detta forskningsresultat publicerades i tidskriften American Chemical Society Nano Letters under titeln "2D Membranes Interlayered with Bimetallic Metal-Organic Frameworks for Lithium Separation from Brines". Yuan Furong, en masterstudent som gemensamt utbildats av Lanzhou University och Qinghai Institute of Salt Lakes, Chinese Academy of Sciences, är den första författaren till artikeln, och Peng Jiaoyu, en associerad forskare vid Qinghai Institute of Salt Lakes, och Li Zhan , en forskare vid Frontier Science Center of Rare Isotopes vid Lanzhou University, är medförfattare.
Dessutom designade forskargruppen också ett poröst ZnFe2O4/ZnO nanoark och bäddade in det i sub-nano-mellanskiktskanalen som regleras av Ag+, vilket bildar en unik tvådimensionell heterogen kanalstruktur.
I denna kanal bär syreatomer negativa laddningar och interagerar starkt med magnesiumjoner med hög laddningstäthet och "låser" därigenom exakt magnesiumjoner, medan litiumjoner kan passera snabbt. Denna mekanism skiljer sig från den traditionella ytladdningsrepulsionsmekanismen, som endast förlitar sig på laddningsrepulsionseffekten på membranytan, medan laddningslåsmekanismen har högre selektivitet genom att uppnå exakt jonfångning i mellanskiktsstrukturen.
Forskningsresultaten publicerades i Advanced Science under titeln "Fine-Tuning 2D Heterogeneous Channels for Charge-Lock Enhanced Lithium Separation from Brine". Doktoranden Hao Yaxin är den första författaren till uppsatsen, och forskaren Li Zhan från Rare Isotope Frontier Science Center vid Lanzhou University är motsvarande författare till uppsatsen.
Professor Chen Ximeng och professor Wu Wangsuo gav viktiga förbättringsförslag för ovanstående arbete. Ovanstående arbete leddes av Rare Isotope Frontier Science Center vid Lanzhou University, och Qinghai Institute of Salt Lakes vid Chinese Academy of Sciences och Qinghai Nationalities University gav starkt stöd för detta arbete. Ovanstående forskningsarbete finansierades av National Key R&D Program, National Natural Science Foundation of China och Lanzhou University Central University Basic Research Business Expenses Cross-Team Project.
[Artikellänk]
Nano Letters: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c04709
Nano Letters: https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.4c04040
Avancerad Vetenskap: https://doi.org/10.1002/advs.202406535
