2차원 생명공학 멤브레인

중국은 염호, 바닷물 등 수많은 염수 자원을 보유하고 있으며, 이들 염수에는 우라늄, 리튬 등 상당한 전략적 요소가 포함되어 있습니다. 이러한 자원의 효율적인 개발은 핵심 원자재의 자급률을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 국가 전략 안보에도 중요한 의미를 갖습니다.

그러나 전통적인 추출 기술은 높은 비용, 높은 에너지 소비, 심각한 오염으로 인해 큰 어려움에 직면해 있으며 기술 혁신이 시급합니다. 대조적으로, 막 분리 기술은 높은 선택성, 낮은 환경 영향 및 낮은 에너지 소비라는 장점으로 인해 위의 문제에 대한 잠재적인 해결책이 되었습니다.

막분리 기술의 핵심은 분리막 연구개발에 있습니다. 그러나 기존 분리막은 주로 기공 크기 스크리닝에 의존하므로 비슷한 크기의 수화 이온을 분리하기가 어렵습니다.

새롭게 떠오르는 분리막인 2차원 막은 층간 간격을 제어할 수 있고 단일 원자 단위를 쉽게 기능화할 수 있어 이온 및 분자 분리 분야에서 큰 응용 잠재력을 가지고 있습니다.

그러나 2차원 막의 층간 물질 이동 공간은 나노미터 이하 수준으로 너무 작으며, 나노미터 이하의 기공 정밀 제어 및 기능적 변형의 실현은 여전히 ​​큰 과제에 직면해 있습니다.

위의 배경을 바탕으로 란저우대학교 교육부 희귀동위원소 프론티어 과학센터 Chen Ximeng 교수와 Li Zhan 연구원 팀은 2차원 막 물질 전달 채널의 크기 제어 및 기능적 변형을 위한 일련의 전략을 제안했습니다. 복잡한 염수 시스템에서 우라늄과 리튬의 정확한 식별과 효율적인 분리 분야에서 중요한 진전을 이루었습니다. 이러한 성과는 전략적 우라늄 및 리튬 자원 추출을 위한 새로운 기술을 제공할 뿐만 아니라 글로벌 에너지 안보와 환경 지속 가능성을 촉진합니다.

연구팀은 슈퍼우라닐결합단백질(SUP)로 변형된 대장균을 2차원(2D) MXene(Ti3C2TX)층에 삽입하고, 압력추세 자가반응을 통해 '책 같은 구조'의 2차원 다기능 복합막을 개발했다. - 해수 내 우라닐 이온의 정확한 식별과 효율적인 분리를 달성한 조립 공정.

SUP는 생무기 하이브리드 막에 우라닐 이온에 대한 매우 높은 선택성을 제공하는 반면, 조작된 대장균은 막의 기계적 강도와 경제성을 향상시킵니다. 실험 결과는 이 막이 우라닐 이온을 정확하게 식별하고 우수한 이온 스크리닝 성능(SFU/V≒43, SFNa/U≒158)을 달성한다는 것을 보여줍니다.

우수한 분리 성능과 순환 안정성 테스트는 분리막의 산업적 적용 가능성을 입증합니다. 이번 연구 결과는 미국화학회의 유명 저널인 Nano Letters에 "Layered Bio-Inorganic MXene Membranes: A Green Approach for Uranium Extraction from Seawater Using Genetically Modified E. coli"라는 제목으로 2024년 11월호에 게재되었습니다. 석사과정 학생인 Mao Xiaonan이 논문의 첫 번째 저자이고, Lanzhou University의 희귀 동위원소 개척 과학 센터의 연구원인 Li Zhan과 젊은 연구원인 Tian Longlong이 논문의 공동 교신저자입니다.

연구팀은 금속 간 시너지 효과를 이용해 산화그래핀층 사이에 새로운 형태의 MOF(바이메탈 유기골격체)/GO(그래핀산화물) 복합막을 개발했다. 즉, 상온에서 산화 그래핀의 중간층에 2-메틸이미다졸이 도입된 후, Zn2+ 및 Co2+가 산화 그래핀 나노시트에 포획되어 이미다졸 리간드와 강한 배위결합을 형성하는 것이다. , 그래핀 산화물의 중간층에서 ZIF-8 및 ZIF-67의 현장 합성을 실현합니다.

이 연구는 주로 2차원 서브나노 공간에서 이온 교환 전략을 통해 측면 이종 채널을 합성하는 새로운 전략을 명확히 하고 이를 실제 염호에서 리튬 추출에 사용하며 리튬과 마그네슘의 분리 계수는 191에 도달할 수 있습니다. 이 혁신적인 멤브레인 이 소재는 리튬 추출 능력을 향상시킬 뿐만 아니라 기존 기술의 많은 단점을 극복하여 염호에서 리튬 자원을 지속적으로 추출하기 위한 아연 솔루션을 제공합니다.

이번 연구 결과는 미국화학회(American Chemical Society) 저널 Nano Letters에 '2D Membranes Interlayered with Bimetallic Metal-Organic Frameworks for Lithium Separation from Brines'라는 제목으로 게재됐다. 란저우 대학교와 중국과학원 칭하이 염호 연구소에서 공동 교육을 받은 석사 과정 학생 Yuan Furong이 논문의 제1저자이고, 칭하이 염호 연구소 부연구원 Peng Jiaoyu와 Li Zhan 란저우 대학교 희귀 동위원소 개척 과학 센터의 연구원이 공동 교신저자입니다.

또한 연구팀은 다공성 ZnFe2O4/ZnO 나노시트를 설계해 Ag+에 의해 조절되는 서브나노 층간 채널에 내장해 독특한 2차원 이종 채널 구조를 형성했다.

이 채널에서 산소 원자는 음전하를 띠고 전하 밀도가 높은 마그네슘 이온과 강하게 상호 작용하여 마그네슘 이온을 정확하게 "고정"하는 반면 리튬 이온은 빠르게 통과할 수 있습니다. 이 메커니즘은 막 표면의 전하 반발 효과에만 의존하는 전통적인 표면 전하 반발 메커니즘과 다른 반면, 전하 잠금 메커니즘은 층간 구조에서 정밀한 이온 포획을 달성하여 더 높은 선택성을 갖습니다.

연구 결과는 Advanced Science지에 "Fine-Tuning 2D Heterogeneous Channels for Charge-Lock Enhanced Lithium Separation from Brine"이라는 제목으로 게재되었습니다. 박사과정 학생인 Hao Yaxin이 논문의 첫 번째 저자이고, Lanzhou University의 Rare Isotope Frontier Science Center의 연구원 Li Zhan이 논문의 교신저자입니다.

Chen Ximeng 교수와 Wu Wangsuo 교수는 위 작업에 대한 중요한 개선 제안을 제공했습니다. 위 작업은 란저우대학교 희귀동위원소 프론티어 과학센터가 주도했으며, 중국과학원 칭하이염호소연구소와 칭하이민족대학이 이 작업을 강력하게 지원했다. 위 연구 작업은 국가 핵심 R&D 프로그램, 중국 국립자연과학재단, 란저우대학교 중앙대학교 기초연구사업비 교차팀 프로젝트의 지원을 받았습니다.

[기사링크]

나노레터스: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c04709

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

첨단과학: https://doi.org/10.1002/advs.202406535