China beschikt over talrijke pekelbronnen, zoals zoutmeren en zeewater, en deze pekelbronnen bevatten aanzienlijke strategische elementen zoals uranium en lithium. De efficiënte ontwikkeling van deze hulpbronnen kan niet alleen de zelfvoorzieningsgraad van belangrijke grondstoffen verbeteren, maar heeft ook een belangrijke betekenis voor de nationale strategische veiligheid.
De traditionele extractietechnologie staat echter voor grote uitdagingen vanwege de hoge kosten, het hoge energieverbruik en de ernstige vervuiling, en heeft dringend behoefte aan technologische innovatie. Daarentegen is de membraanscheidingstechnologie een potentiële oplossing geworden voor de bovengenoemde problemen met zijn voordelen van hoge selectiviteit, lage impact op het milieu en een laag energieverbruik.
De kern van membraanscheidingstechnologie ligt in het onderzoek en de ontwikkeling van scheidingsmembranen. Traditionele scheidingsmembranen zijn echter voornamelijk afhankelijk van het screenen van de poriegrootte, wat het moeilijk maakt om de scheiding van gehydrateerde ionen van vergelijkbare grootte te bereiken.
Als opkomend scheidingsmembraan hebben tweedimensionale membranen een groot toepassingspotentieel op het gebied van ionen- en moleculaire scheiding vanwege hun regelbare tussenlaagafstand en gemakkelijk gefunctionaliseerde afzonderlijke atomaire eenheden.
De massaoverdrachtsruimte tussen de lagen van tweedimensionale membranen is echter te klein (sub-nanometerniveau), en de realisatie van sub-nanometer-porie-precieze controle en functionele modificatie staat nog steeds voor grote uitdagingen.
Op basis van de bovenstaande achtergrond stelden professor Chen Ximeng en het team van onderzoeker Li Zhan van het Rare Isotope Frontier Science Center van het Ministerie van Onderwijs van de Universiteit van Lanzhou een reeks strategieën voor voor de groottecontrole en functionele modificatie van tweedimensionale membraanmassaoverdrachtskanalen. en belangrijke vooruitgang geboekt op het gebied van nauwkeurige identificatie en efficiënte scheiding van uranium en lithium in complexe pekelsystemen. Deze prestaties leveren niet alleen nieuwe technologieën op voor de winning van strategische uranium- en lithiumbronnen, maar bevorderen ook de mondiale energiezekerheid en ecologische duurzaamheid.
Nieuwe vooruitgang bij de winning van uranium uit zeewater met tweedimensionale bio-engineered membranen
Het onderzoeksteam heeft Escherichia coli gemodificeerd met super uranyl bindend eiwit (SUP) in een tweedimensionale (2D) MXene (Ti3C2TX) laag ingevoegd en een tweedimensionaal multifunctioneel composietmembraan met "boekachtige structuur" ontwikkeld door middel van een druk-trend zelf. -assemblageproces, dat nauwkeurige identificatie en efficiënte scheiding van uranylionen in zeewater mogelijk maakte.
SUP geeft het bio-anorganische hybride membraan een ultrahoge selectiviteit voor uranylionen, terwijl de ontwikkelde Escherichia coli de mechanische sterkte en de economie van het membraan verbetert. De experimentele resultaten laten zien dat het membraan een nauwkeurige identificatie van uranylionen en uitstekende ionenscreeningsprestaties bereikt (SFU/V≈43, SFNa/U≈158).
De uitstekende scheidingsprestaties en cyclische stabiliteitstests bewijzen het industriële toepassingspotentieel van het membraan. Dit onderzoeksresultaat is in november 2024 gepubliceerd in het beroemde tijdschrift Nano Letters van de American Chemical Society, getiteld "Layered Bio-Inorganic MXene Membranes: A Green Approach for Uranium Extraction from Seawater Using Genetisch Modified E. coli". Masterstudent Mao Xiaonan is de eerste auteur van het artikel, en Li Zhan, een onderzoeker bij het Frontier Science Center of Rare Isotopes van de Universiteit van Lanzhou, en Tian Longlong, een jonge onderzoeker, zijn de co-corresponderende auteurs van het artikel.
Tweedimensionaal multifunctioneel composietmembraan helpt nieuwe technologie voor lithiumextractie uit zoutmeren
Het onderzoeksteam gebruikte het synergetische effect tussen metalen om een nieuw type bimetaal organisch raamwerk (MOF)/grafeenoxide (GO) composietmembraan tussen grafeenoxidelagen te ontwikkelen. Dat wil zeggen dat 2-methylimidazol bij kamertemperatuur in de tussenlaag van grafeenoxide wordt geïntroduceerd, waarna Zn2+ en Co2+ worden opgevangen door grafeenoxide-nanosheets en sterke coördinatiebindingen vormen met imidazolliganden , waarbij de in-situ synthese van ZIF-8 en ZIF-67 in de tussenlaag van grafeenoxide wordt gerealiseerd.
Dit werk verduidelijkt voornamelijk de nieuwe strategie van het synthetiseren van laterale heterogene kanalen door middel van ionenuitwisselingsstrategie in tweedimensionale sub-nanoruimte en gebruikt deze voor lithiumextractie uit echte zoutmeren, en de scheidingsfactor voor lithium en magnesium kan 191 bereiken. Dit innovatieve membraan materiaal vergroot niet alleen de winningscapaciteit van lithium, maar overwint ook veel tekortkomingen van bestaande technologieën, waardoor een zinkoplossing wordt geboden voor de duurzame winning van lithiumbronnen uit zoutmeren.
Dit onderzoeksresultaat werd gepubliceerd in het American Chemical Society-tijdschrift Nano Letters onder de titel "2D Membranes Interlayered with Bimetallic Metal-Organic Frameworks for Lithium Separation from Brines". Yuan Furong, een masterstudent die gezamenlijk is opgeleid door Lanzhou University en het Qinghai Institute of Salt Lakes, Chinese Academy of Sciences, is de eerste auteur van het artikel, en Peng Jiaoyu, universitair hoofddocent aan het Qinghai Institute of Salt Lakes, en Li Zhan , een onderzoeker aan het Frontier Science Center of Rare Isotopes van de Universiteit van Lanzhou, zijn co-corresponderende auteurs.
Daarnaast ontwierp het onderzoeksteam ook een poreuze ZnFe2O4/ZnO-nanoplaat en ingebed in het sub-nano-tussenlaagkanaal gereguleerd door Ag+, waardoor een unieke tweedimensionale heterogene kanaalstructuur ontstond.
In dit kanaal dragen zuurstofatomen negatieve ladingen en hebben ze een sterke wisselwerking met magnesiumionen met een hoge ladingsdichtheid, waardoor magnesiumionen nauwkeurig worden "opgesloten", terwijl lithiumionen snel kunnen passeren. Dit mechanisme verschilt van het traditionele afstotingsmechanisme voor oppervlaktelading, dat alleen afhankelijk is van het ladingsafstotingseffect op het membraanoppervlak, terwijl het ladingsvergrendelingsmechanisme een hogere selectiviteit heeft door nauwkeurige ionenvangst in de tussenlaagstructuur te bereiken.
De onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in Advanced Science onder de titel "Fine-Tuning 2D Heterogeneous Channels for Charge-Lock Enhanced Lithium Separation from Brine". Promovendus Hao Yaxin is de eerste auteur van het artikel, en onderzoeker Li Zhan van het Rare Isotope Frontier Science Center van de Lanzhou Universiteit is de corresponderende auteur van het artikel.
Professor Chen Ximeng en professor Wu Wangsuo hebben belangrijke verbetersuggesties gegeven voor het bovengenoemde werk. Het bovenstaande werk werd geleid door het Rare Isotope Frontier Science Center van de Universiteit van Lanzhou, en het Qinghai Institute of Salt Lakes van de Chinese Academie van Wetenschappen en de Qinghai Nationalities University boden krachtige steun voor dit werk. Het bovenstaande onderzoekswerk werd gefinancierd door het National Key R&D Program, de National Natural Science Foundation of China en het Lanzhou University Central University Basic Research Business Expenses Cross-Team Project.
[Artikellink]
Nanobrieven: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c04709
Nanobrieven: https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.4c04040
Geavanceerde wetenschap: https://doi.org/10.1002/advs.202406535