China tiene numerosos recursos de salmuera, como lagos salados y agua de mar, y estas salmueras contienen elementos estratégicos considerables como el uranio y el litio. El desarrollo eficiente de estos recursos no sólo puede mejorar la tasa de autosuficiencia de materias primas clave, sino que también tiene una importancia importante para la seguridad estratégica nacional.
Sin embargo, la tecnología de extracción tradicional enfrenta enormes desafíos debido a su alto costo, alto consumo de energía y grave contaminación, y necesita urgentemente innovación tecnológica. Por el contrario, la tecnología de separación por membranas se ha convertido en una solución potencial a los problemas anteriores con sus ventajas de alta selectividad, bajo impacto ambiental y bajo consumo de energía.
El núcleo de la tecnología de separación por membranas radica en la investigación y el desarrollo de membranas de separación. Sin embargo, las membranas de separación tradicionales se basan principalmente en el cribado del tamaño de los poros, lo que dificulta la separación de iones hidratados de tamaños similares.
Como membrana de separación emergente, las membranas bidimensionales tienen un gran potencial de aplicación en el campo de la separación iónica y molecular debido a su espaciado entre capas controlable y sus unidades atómicas individuales fácilmente funcionalizables.
Sin embargo, el espacio de transferencia de masa entre capas de las membranas bidimensionales es demasiado pequeño (nivel subnanómetro) y la realización del control preciso de los poros subnanómetros y la modificación funcional todavía enfrenta enormes desafíos.
Con base en los antecedentes anteriores, el equipo del profesor Chen Ximeng y el investigador Li Zhan del Centro Científico de la Frontera de Isótopos Raros del Ministerio de Educación de la Universidad de Lanzhou propusieron una serie de estrategias para el control del tamaño y la modificación funcional de los canales de transferencia de masa de membranas bidimensionales. y logró avances importantes en el campo de la identificación precisa y la separación eficiente de uranio y litio en sistemas complejos de salmuera. Estos logros no sólo proporcionan nuevas tecnologías para la extracción de recursos estratégicos de uranio y litio, sino que también promueven la seguridad energética global y la sostenibilidad ambiental.
Nuevos avances en la extracción de uranio del agua de mar con membranas bidimensionales de bioingeniería
El equipo de investigación insertó Escherichia coli modificada con proteína de unión a súper uranilo (SUP) en una capa bidimensional (2D) de MXene (Ti3C2TX) y desarrolló una membrana compuesta multifuncional bidimensional con "estructura similar a un libro" a través de una auto-tendencia de presión. -proceso de ensamblaje, que logró una identificación precisa y una separación eficiente de iones uranilo en agua de mar.
SUP le da a la membrana híbrida bioinorgánica una selectividad ultra alta para los iones uranilo, mientras que la Escherichia coli diseñada mejora la resistencia mecánica y la economía de la membrana. Los resultados experimentales muestran que la membrana logra una identificación precisa de los iones uranilo y un excelente rendimiento de detección de iones (SFU/V≈43, SFNa/U≈158).
El excelente rendimiento de separación y las pruebas de estabilidad cíclica demuestran el potencial de aplicación industrial de la membrana. El resultado de esta investigación se publicó en la famosa revista Nano Letters de la Sociedad Química Estadounidense en noviembre de 2024, con el título "Membranas MXene bioinorgánicas en capas: un enfoque ecológico para la extracción de uranio del agua de mar utilizando E. coli genéticamente modificada". El estudiante de maestría Mao Xiaonan es el primer autor del artículo, y Li Zhan, investigador del Centro Científico Fronterizo de Isótopos Raros de la Universidad de Lanzhou, y Tian Longlong, un joven investigador, son los coautores correspondientes del artículo.
Una membrana compuesta multifuncional bidimensional ayuda a la nueva tecnología para la extracción de litio de lagos salados
El equipo de investigación utilizó el efecto sinérgico entre metales para desarrollar un nuevo tipo de membrana compuesta de estructura orgánica bimetálica (MOF)/óxido de grafeno (GO) entre capas de óxido de grafeno. Es decir, se introduce 2-metilimidazol en la capa intermedia de óxido de grafeno a temperatura ambiente, y luego Zn2+ y Co2+ son capturados por nanohojas de óxido de grafeno y forman fuertes enlaces de coordinación con ligandos de imidazol. , realizando la síntesis in situ de ZIF-8 y ZIF-67 en la capa intermedia de óxido de grafeno.
Este trabajo aclara principalmente la nueva estrategia de sintetizar canales heterogéneos laterales a través de una estrategia de intercambio iónico en un espacio subnano bidimensional y la utiliza para la extracción de litio de lagos salados reales, y su factor de separación para litio y magnesio puede alcanzar 191. Esta innovadora membrana El material no solo mejora la capacidad de extracción de litio, sino que también supera muchas deficiencias de las tecnologías existentes, proporcionando una solución de zinc para la extracción sostenible de recursos de litio de los lagos salados.
El resultado de esta investigación se publicó en la revista Nano Letters de la Sociedad Química Estadounidense con el título "Membranas 2D intercaladas con marcos orgánicos metálicos bimetálicos para la separación de litio de salmueras". Yuan Furong, estudiante de maestría formado conjuntamente por la Universidad de Lanzhou y el Instituto Qinghai de los Lagos Salados de la Academia China de Ciencias, es el primer autor del artículo, y Peng Jiaoyu, investigador asociado del Instituto Qinghai de los Lagos Salados, y Li Zhan. , investigador del Centro Científico Fronterizo de Isótopos Raros de la Universidad de Lanzhou, son coautores correspondientes.
Además, el equipo de investigación también diseñó una nanohoja porosa de ZnFe2O4/ZnO y la incrustó en el canal de capa intermedia subnano regulado por Ag+, formando una estructura de canal heterogénea bidimensional única.
En este canal, los átomos de oxígeno llevan cargas negativas e interactúan fuertemente con los iones de magnesio con una alta densidad de carga, "bloqueando" con precisión los iones de magnesio, mientras que los iones de litio pueden pasar rápidamente. Este mecanismo es diferente del mecanismo tradicional de repulsión de carga superficial, que solo se basa en el efecto de repulsión de carga en la superficie de la membrana, mientras que el mecanismo de bloqueo de carga tiene una mayor selectividad al lograr una captura precisa de iones en la estructura entre capas.
Los resultados de la investigación se publicaron en Advanced Science con el título "Ajuste fino de canales heterogéneos 2D para la separación mejorada de litio de salmuera con bloqueo de carga". El estudiante de doctorado Hao Yaxin es el primer autor del artículo, y el investigador Li Zhan del Centro Científico de la Frontera de Isótopos Raros de la Universidad de Lanzhou es el autor correspondiente del artículo.
El profesor Chen Ximeng y el profesor Wu Wangsuo brindaron importantes sugerencias de mejora para el trabajo anterior. El trabajo anterior fue dirigido por el Centro Científico de la Frontera de Isótopos Raros de la Universidad de Lanzhou, y el Instituto Qinghai de Lagos Salados de la Academia China de Ciencias y la Universidad de Nacionalidades de Qinghai brindaron un fuerte apoyo para este trabajo. El trabajo de investigación anterior fue financiado por el Programa Nacional Clave de I+D, la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China y el Proyecto Interdisciplinario de Gastos Empresariales de Investigación Básica de la Universidad Central de la Universidad de Lanzhou.
[Enlace del artículo]
Nanoletras: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c04709
Nano Letras: https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.4c04040
Ciencia avanzada: https://doi.org/10.1002/advs.202406535