द्वि-आयामी बायोइंजीनियर्ड झिल्ली

चीन के पास नमक की झीलें और समुद्री जल जैसे कई नमकीन संसाधन हैं, और इन नमकीन पानी में यूरेनियम और लिथियम जैसे महत्वपूर्ण रणनीतिक तत्व शामिल हैं। इन संसाधनों के कुशल विकास से न केवल प्रमुख कच्चे माल की आत्मनिर्भरता दर में सुधार हो सकता है, बल्कि राष्ट्रीय रणनीतिक सुरक्षा के लिए भी इसका महत्वपूर्ण महत्व है।

हालाँकि, पारंपरिक निष्कर्षण तकनीक को अपनी उच्च लागत, उच्च ऊर्जा खपत और गंभीर प्रदूषण के कारण बड़ी चुनौतियों का सामना करना पड़ता है, और तत्काल तकनीकी नवाचार की आवश्यकता है। इसके विपरीत, झिल्ली पृथक्करण तकनीक उच्च चयनात्मकता, कम पर्यावरणीय प्रभाव और कम ऊर्जा खपत के अपने लाभों के साथ उपरोक्त समस्याओं का एक संभावित समाधान बन गई है।

झिल्ली पृथक्करण प्रौद्योगिकी का मूल पृथक्करण झिल्ली के अनुसंधान और विकास में निहित है। हालाँकि, पारंपरिक पृथक्करण झिल्ली मुख्य रूप से छिद्र आकार की स्क्रीनिंग पर निर्भर करती है, जिससे समान आकार के हाइड्रेटेड आयनों को अलग करना मुश्किल हो जाता है।

एक उभरती हुई पृथक्करण झिल्ली के रूप में, दो-आयामी झिल्ली में उनके नियंत्रणीय इंटरलेयर रिक्ति और आसानी से कार्यशील एकल परमाणु इकाइयों के कारण आयन और आणविक पृथक्करण के क्षेत्र में बड़ी अनुप्रयोग क्षमता होती है।

हालाँकि, द्वि-आयामी झिल्लियों का इंटरलेयर द्रव्यमान स्थानांतरण स्थान बहुत छोटा है (उप-नैनोमीटर स्तर), और उप-नैनोमीटर छिद्र सटीक नियंत्रण और कार्यात्मक संशोधन की प्राप्ति अभी भी बड़ी चुनौतियों का सामना करती है।

उपरोक्त पृष्ठभूमि के आधार पर, लान्झू विश्वविद्यालय के शिक्षा मंत्रालय के रेयर आइसोटोप फ्रंटियर साइंस सेंटर के प्रोफेसर चेन ज़िमेंग और शोधकर्ता ली झान की टीम ने दो-आयामी झिल्ली द्रव्यमान हस्तांतरण चैनलों के आकार नियंत्रण और कार्यात्मक संशोधन के लिए रणनीतियों की एक श्रृंखला का प्रस्ताव रखा, और जटिल नमकीन प्रणालियों में यूरेनियम और लिथियम की सटीक पहचान और कुशल पृथक्करण के क्षेत्र में महत्वपूर्ण प्रगति की। ये उपलब्धियाँ न केवल रणनीतिक यूरेनियम और लिथियम संसाधनों के निष्कर्षण के लिए नई तकनीकें प्रदान करती हैं, बल्कि वैश्विक ऊर्जा सुरक्षा और पर्यावरणीय स्थिरता को भी बढ़ावा देती हैं।

अनुसंधान टीम ने सुपर यूरेनिल बाइंडिंग प्रोटीन (एसयूपी) के साथ संशोधित एस्चेरिचिया कोली को दो-आयामी (2डी) एमएक्सईएन (टीआई3सी2टीएक्स) परत में डाला, और एक दबाव-प्रवृत्ति स्व के माध्यम से एक "पुस्तक जैसी संरचना" दो-आयामी बहुक्रियाशील मिश्रित झिल्ली विकसित की। -असेंबली प्रक्रिया, जिसने समुद्री जल में यूरेनिल आयनों की सटीक पहचान और कुशल पृथक्करण हासिल किया।

एसयूपी जैव-अकार्बनिक संकर झिल्ली को यूरेनिल आयनों के लिए एक अति-उच्च चयनात्मकता देता है, जबकि इंजीनियर एस्चेरिचिया कोली झिल्ली की यांत्रिक शक्ति और अर्थव्यवस्था में सुधार करता है। प्रायोगिक परिणाम बताते हैं कि झिल्ली यूरेनिल आयनों की सटीक पहचान और उत्कृष्ट आयन स्क्रीनिंग प्रदर्शन (एसएफयू/वी≈43, एसएफएनए/यू≈158) प्राप्त करती है।

उत्कृष्ट पृथक्करण प्रदर्शन और चक्रीय स्थिरता परीक्षण झिल्ली की औद्योगिक अनुप्रयोग क्षमता को साबित करते हैं। यह शोध परिणाम नवंबर 2024 में अमेरिकन केमिकल सोसाइटी के प्रसिद्ध जर्नल नैनो लेटर्स में प्रकाशित हुआ है, जिसका शीर्षक है "लेयर्ड बायो-इनऑर्गेनिक एमएक्सईन मेम्ब्रेंस: जेनेटिकली मॉडिफाइड ई. कोली का उपयोग करके समुद्री जल से यूरेनियम निष्कर्षण के लिए एक हरित दृष्टिकोण"। मास्टर छात्र माओ जियाओनन पेपर के पहले लेखक हैं, और लान्झू विश्वविद्यालय के फ्रंटियर साइंस सेंटर ऑफ रेयर आइसोटोप्स के एक शोधकर्ता ली झान और एक युवा शोधकर्ता तियान लोंगलोंग, पेपर के सह-संबंधित लेखक हैं।

अनुसंधान टीम ने ग्राफीन ऑक्साइड परतों के बीच एक नए प्रकार के द्विधातु कार्बनिक ढांचे (एमओएफ)/ग्राफीन ऑक्साइड (जीओ) मिश्रित झिल्ली को विकसित करने के लिए धातुओं के बीच सहक्रियात्मक प्रभाव का उपयोग किया। अर्थात्, 2-मिथाइलिमिडाज़ोल को कमरे के तापमान पर ग्राफीन ऑक्साइड की इंटरलेयर में पेश किया जाता है, और फिर Zn2+ और Co2+ को ग्राफीन ऑक्साइड नैनोशीट्स द्वारा कैप्चर किया जाता है और इमिडाज़ोल लिगेंड्स के साथ मजबूत समन्वय बंधन बनाते हैं। , ग्राफीन ऑक्साइड की इंटरलेयर में ZIF -8 और ZIF -67 के इन-सीटू संश्लेषण को साकार करना।

यह कार्य मुख्य रूप से द्वि-आयामी उप-नैनो अंतरिक्ष में आयन विनिमय रणनीति के माध्यम से पार्श्व विषम चैनलों को संश्लेषित करने की नई रणनीति को स्पष्ट करता है और वास्तविक नमक झीलों से लिथियम निष्कर्षण के लिए इसका उपयोग करता है, और लिथियम और मैग्नीशियम के लिए इसका पृथक्करण कारक 191 तक पहुंच सकता है। यह अभिनव झिल्ली सामग्री न केवल लिथियम की निष्कर्षण क्षमता को बढ़ाती है, बल्कि मौजूदा प्रौद्योगिकियों की कई कमियों को भी दूर करती है, जो नमक झीलों से लिथियम संसाधनों के स्थायी निष्कर्षण के लिए जस्ता समाधान प्रदान करती है।

यह शोध परिणाम अमेरिकन केमिकल सोसाइटी जर्नल नैनो लेटर्स में "ब्राइन्स से लिथियम पृथक्करण के लिए बाईमेटेलिक मेटल-ऑर्गेनिक फ्रेमवर्क के साथ 2डी मेम्ब्रेंस इंटरलेयर्ड" शीर्षक के तहत प्रकाशित किया गया था। लान्चो विश्वविद्यालय और किंघई इंस्टीट्यूट ऑफ साल्ट लेक्स, चाइनीज एकेडमी ऑफ साइंसेज द्वारा संयुक्त रूप से प्रशिक्षित मास्टर छात्र युआन फुरोंग, पेपर के पहले लेखक हैं, और किंघई इंस्टीट्यूट ऑफ साल्ट लेक्स के एक सहयोगी शोधकर्ता पेंग जियाओयू और ली झान हैं। लान्झू विश्वविद्यालय के फ्रंटियर साइंस सेंटर ऑफ रेयर आइसोटोप के एक शोधकर्ता, सह-संबंधित लेखक हैं।

इसके अलावा, अनुसंधान टीम ने एक झरझरा ZnFe2O4/ZnO नैनोशीट भी डिजाइन की और इसे Ag+ द्वारा विनियमित उप-नैनो इंटरलेयर चैनल में एम्बेड किया, जिससे एक अद्वितीय दो-आयामी विषम चैनल संरचना बन गई।

इस चैनल में, ऑक्सीजन परमाणु नकारात्मक चार्ज रखते हैं और उच्च चार्ज घनत्व वाले मैग्नीशियम आयनों के साथ दृढ़ता से बातचीत करते हैं, जिससे मैग्नीशियम आयनों को सटीक रूप से "लॉक" किया जाता है, जबकि लिथियम आयन जल्दी से गुजर सकते हैं। यह तंत्र पारंपरिक सतह चार्ज प्रतिकर्षण तंत्र से अलग है, जो केवल झिल्ली सतह पर चार्ज प्रतिकर्षण प्रभाव पर निर्भर करता है, जबकि चार्ज लॉकिंग तंत्र में इंटरलेयर संरचना में सटीक आयन कैप्चर प्राप्त करके उच्च चयनात्मकता होती है।

शोध के परिणाम एडवांस्ड साइंस में "ब्राइन से चार्ज-लॉक एन्हांस्ड लिथियम पृथक्करण के लिए फाइन-ट्यूनिंग 2डी विषम चैनल" शीर्षक के तहत प्रकाशित किए गए थे। डॉक्टरेट छात्र हाओ याक्सिन पेपर के पहले लेखक हैं, और लान्चो विश्वविद्यालय के रेयर आइसोटोप फ्रंटियर साइंस सेंटर के शोधकर्ता ली झान पेपर के संबंधित लेखक हैं।

प्रोफेसर चेन ज़िमेंग और प्रोफेसर वू वांगसुओ ने उपरोक्त कार्य के लिए महत्वपूर्ण सुधार सुझाव दिए। उपरोक्त कार्य का नेतृत्व लान्झू विश्वविद्यालय के रेयर आइसोटोप फ्रंटियर साइंस सेंटर ने किया था, और चीनी विज्ञान अकादमी के किंघई इंस्टीट्यूट ऑफ साल्ट लेक्स और किंघई नेशनलिटीज यूनिवर्सिटी ने इस कार्य के लिए मजबूत समर्थन प्रदान किया था। उपरोक्त शोध कार्य को राष्ट्रीय कुंजी अनुसंधान एवं विकास कार्यक्रम, चीन के राष्ट्रीय प्राकृतिक विज्ञान फाउंडेशन और लान्चो यूनिवर्सिटी सेंट्रल यूनिवर्सिटी बेसिक रिसर्च बिजनेस एक्सपेंसेस क्रॉस-टीम प्रोजेक्ट द्वारा वित्त पोषित किया गया था।

[लेख लिंक]

नैनो अक्षर: https://doi.org/10.1021/acs.nanolet.4c04709

नैनो अक्षर: https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolet.4c04040

उन्नत विज्ञान: https://doi.org/10.1002/advs.202406535