La Chine dispose de nombreuses ressources en saumures telles que les lacs salés et l’eau de mer, et ces saumures contiennent des éléments stratégiques considérables comme l’uranium et le lithium. Le développement efficace de ces ressources peut non seulement améliorer le taux d'autosuffisance en matières premières clés, mais revêt également une importance importante pour la sécurité stratégique nationale.
Cependant, la technologie d’extraction traditionnelle est confrontée à d’énormes défis en raison de son coût élevé, de sa forte consommation d’énergie et de sa grave pollution, et a un besoin urgent d’innovation technologique. En revanche, la technologie de séparation par membrane est devenue une solution potentielle aux problèmes ci-dessus grâce à ses avantages de sélectivité élevée, de faible impact environnemental et de faible consommation d’énergie.
Le cœur de la technologie de séparation membranaire réside dans la recherche et le développement de membranes de séparation. Cependant, les membranes de séparation traditionnelles reposent principalement sur le filtrage de la taille des pores, ce qui rend difficile la séparation d'ions hydratés de tailles similaires.
En tant que membrane de séparation émergente, les membranes bidimensionnelles ont un grand potentiel d'application dans le domaine de la séparation ionique et moléculaire en raison de leur espacement intercouche contrôlable et de leurs unités atomiques uniques facilement fonctionnalisées.
Cependant, l'espace de transfert de masse intercouche des membranes bidimensionnelles est trop petit (niveau inférieur au nanomètre), et la réalisation d'un contrôle précis des pores et d'une modification fonctionnelle au niveau inférieur au nanomètre est encore confrontée à d'énormes défis.
Sur la base du contexte ci-dessus, l'équipe du professeur Chen Ximeng et du chercheur Li Zhan du Centre scientifique des frontières des isotopes rares du ministère de l'Éducation de l'Université de Lanzhou a proposé une série de stratégies pour le contrôle de la taille et la modification fonctionnelle des canaux de transfert de masse membranaires bidimensionnels, et réalisé d'importants progrès dans le domaine de l'identification précise et de la séparation efficace de l'uranium et du lithium dans les systèmes de saumure complexes. Ces réalisations fournissent non seulement de nouvelles technologies pour l’extraction de ressources stratégiques d’uranium et de lithium, mais favorisent également la sécurité énergétique mondiale et la durabilité environnementale.
Nouveaux progrès dans l’extraction de l’uranium de l’eau de mer grâce à des membranes bidimensionnelles issues de la bio-ingénierie
L'équipe de recherche a inséré Escherichia coli modifié avec une protéine de liaison au super uranyle (SUP) dans une couche bidimensionnelle (2D) de MXène (Ti3C2TX) et a développé une membrane composite multifonctionnelle bidimensionnelle « en forme de livre » à travers une auto-tendance de pression. -processus d'assemblage, qui a permis une identification précise et une séparation efficace des ions uranyle dans l'eau de mer.
SUP confère à la membrane hybride bio-inorganique une sélectivité ultra-élevée pour les ions uranyle, tandis que l'Escherichia coli modifié améliore la résistance mécanique et l'économie de la membrane. Les résultats expérimentaux montrent que la membrane permet une identification précise des ions uranyle et d'excellentes performances de filtrage des ions (SFU/V≈43, SFNa/U≈158).
Les excellentes performances de séparation et les tests de stabilité cyclique prouvent le potentiel d’application industrielle de la membrane. Ce résultat de recherche a été publié dans la célèbre revue Nano Letters de l'American Chemical Society en novembre 2024, intitulé « Layered Bio-Inorganic MXene Membranes : A Green Approach for Uranium Extraction from Seawater Using Geneically Modified E. coli ». L'étudiant en maîtrise Mao Xiaonan est le premier auteur de l'article, et Li Zhan, chercheur au Frontier Science Center of Rare Isotopes de l'Université de Lanzhou, et Tian Longlong, un jeune chercheur, sont les co-auteurs correspondants de l'article.
La membrane composite multifonctionnelle bidimensionnelle aide une nouvelle technologie à extraire le lithium des lacs salés
L’équipe de recherche a utilisé l’effet synergique entre les métaux pour développer un nouveau type de membrane composite bimétallique à structure organique (MOF)/oxyde de graphène (GO) entre les couches d’oxyde de graphène. Autrement dit, le 2-méthylimidazole est introduit dans la couche intermédiaire d'oxyde de graphène à température ambiante, puis Zn2+ et Co2+ sont capturés par des nanofeuilles d'oxyde de graphène et forment de fortes liaisons de coordination avec les ligands imidazole. , réalisant la synthèse in situ de ZIF-8 et ZIF-67 dans la couche intermédiaire d'oxyde de graphène.
Ce travail clarifie principalement la nouvelle stratégie de synthèse de canaux hétérogènes latéraux via une stratégie d'échange d'ions dans un espace sub-nano bidimensionnel et l'utilise pour l'extraction du lithium à partir de véritables lacs salés, et son facteur de séparation pour le lithium et le magnésium peut atteindre 191. Cette membrane innovante Ce matériau améliore non seulement la capacité d'extraction du lithium, mais pallie également de nombreuses lacunes des technologies existantes, offrant ainsi une solution de zinc pour l'extraction durable des ressources en lithium des lacs salés.
Ce résultat de recherche a été publié dans la revue Nano Letters de l'American Chemical Society sous le titre "2D Membranes Interlayered with Bimetallic Metal-Organic Frameworks for Lithium Separation from Brines". Yuan Furong, étudiant à la maîtrise formé conjointement par l'Université de Lanzhou et l'Institut des lacs salés du Qinghai, de l'Académie chinoise des sciences, est le premier auteur de l'article, et Peng Jiaoyu, chercheur associé à l'Institut des lacs salés du Qinghai, et Li Zhan. , chercheur au Frontier Science Center of Rare Isotopes de l'Université de Lanzhou, sont les auteurs co-correspondants.
En outre, l’équipe de recherche a également conçu une nanofeuille poreuse de ZnFe2O4/ZnO et l’a intégrée dans le canal intercalaire sub-nano régulé par Ag+, formant une structure de canal hétérogène bidimensionnelle unique.
Dans ce canal, les atomes d'oxygène portent des charges négatives et interagissent fortement avec les ions magnésium à haute densité de charge, « bloquant » ainsi avec précision les ions magnésium, tandis que les ions lithium peuvent passer rapidement. Ce mécanisme est différent du mécanisme traditionnel de répulsion des charges de surface, qui repose uniquement sur l'effet de répulsion des charges sur la surface de la membrane, tandis que le mécanisme de verrouillage des charges a une sélectivité plus élevée en réalisant une capture précise des ions dans la structure intercouche.
Les résultats de la recherche ont été publiés dans Advanced Science sous le titre « Fine-Tuning 2D Heterogeneous Channels for Charge-Lock Enhanced Lithium Separation from Brine ». L'étudiant au doctorat Hao Yaxin est le premier auteur de l'article, et le chercheur Li Zhan du Rare Isotope Frontier Science Center de l'Université de Lanzhou est l'auteur correspondant de l'article.
Le professeur Chen Ximeng et le professeur Wu Wangsuo ont fourni d'importantes suggestions d'amélioration pour les travaux ci-dessus. Les travaux ci-dessus ont été dirigés par le Centre scientifique frontalier des isotopes rares de l'Université de Lanzhou, et l'Institut des lacs salés du Qinghai de l'Académie chinoise des sciences et l'Université des nationalités du Qinghai ont apporté un soutien important à ce travail. Les travaux de recherche ci-dessus ont été financés par le programme national clé de R&D, la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine et le projet inter-équipes sur les dépenses commerciales de recherche fondamentale de l'Université centrale de l'Université de Lanzhou.
[Lien de l'article]
Nanolettres : https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c04709
Nanolettres : https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.4c04040
Science avancée : https://doi.org/10.1002/advs.202406535