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兰州大学石墨烯应用重大突破,与稀土有关!
出处:Carbontech  录入日期:2024-06-14  点击数:381

  稀土元素(REE)作为重要的战略元素,在先进制造以及生命医学领域具有极其重要的意义。但单一稀土元素的工业需求纯度极高,此外,稀土放射性核素在癌症治疗等领域具有广泛应用,其高纯度和稳定性对提高疗效和安全性至关重要。
  由于稀土元素半径相似和化学性质相近,包括化学过程的萃取分离和基于物理过程的膜分离等方法面临环境友好性差、选择性低、成本高等问题。因此发展一类简单快速高效的稀土分离技术,对于推动我国经济社会的发展具有极其重要的意义。
  膜分离技术作为一种先进的新兴分离技术,因其绿色环保、无相变、无添加剂引入、易于自动化操作等优势,已被广泛应用于工业、农业、食品与药物生产领域。
  兰州大学稀有同位素前沿科学中心陈熙萌、李湛团队受细胞离子通道蛋白的启发,创新性地将工程生物膜嵌入氧化石墨烯膜层之间,通过在异质通道中引入具有超强亲和力的镧离子结合蛋白(LanM),实现了对特定稀土离子的精准识别和筛选。工程细菌外膜首次被剥离并插入氧化石墨烯膜层之间,以保护LanM蛋白,利用外膜中丰富的脂类和糖类与氧化石墨烯膜功能基团之间的相互作用,精确固定膜层间距,大幅提升了膜的热力学稳定性和机械性能。
  研究团队借鉴细胞仿生膜的特性,将其与氧化石墨烯结合,进一步优化了膜的选择性和稳定性。仿生膜模仿了天然细胞膜的结构和功能,具备高机械性能、高选择性与高透过率等优点,使得二维异质结构通道在实际应用中更加高效和可靠。
  异质通道中兰莫德林(LanM)和稀土离子的结合能力和相应的构象变化的差异可用于精确识别和筛选钪离子(Sc 3+)。工程化的大肠杆菌膜不仅可以保护LanM、丰富的脂质和糖的结构和功能的完整性,而且还可以通过相互作用帮助大肠杆菌(E. coli)膜紧密平铺在GO纳米片上,防止肿胀并将层间距精确控制到亚纳米级。
  显然,二维异质通道对三价离子表现出优异的选择性(SF Fe /Sc ≈3),尤其是对稀土元素中的 Sc 3+离子具有高选择性(SF Ce/Sc ≈167,SF La/Sc ≈103)。长期稳定性和拉伸应变测试验证了膜的出色稳定性。因此,这项简单、高效且经济有效的工作为构建二维层间异质通道进行精确筛选提供了建议,并提出了这一有价值的策略用于高效提取 Sc。
  相关研究成果以“Constructing Two-Dimensional (2D) Heterostructure Channels with Engineered Biomembrane and Graphene for Precise Scandium Sieving”为题,5月28日发表于《Advanced Materials》。


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  / 图文导读 /


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  图1. 合成工艺及形貌表征。


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  图2. 稀土元素通过LP-GO异质结构膜的渗透与分离。


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  图3. LP-GO-b分离成稀土离子的机理探讨。
  / 总结 /
  该方法从生物离子通道中获得灵感,利用工程大肠杆菌膜在氧化石墨烯层之间构建精确的二维非均质通道,有效地改善了目前渗透率和选择性之间难以权衡的挑战。采用lanm修饰的大肠杆菌膜(LnOM)作为隔离剂,可以有效地防止膨胀,并有效地扩大层间距,提高离子渗透性。同时,大肠杆菌膜与氧化石墨烯通过相互作用紧密包裹,具有精确的二维非均质通道。
  最后,与各种REE3+离子相比,间隔剂上的LanM对Sc3+表现出特殊的亲和力和构象变化,导致SFCe/Sc≈167,SFLa/Sc≈103,SFYb/Sc≈69具有显著的选择性。LP-GO膜在分离模拟含钪矿物溶液方面也表现出良好的性能,显示了其在工业应用中的潜力。长期稳定性和拉伸应变测试验证了LP-GO膜的稳健性。这种经济高效的膜设计为未来的功能性膜创新提供了适用性和指导。
  此外,研究人员还通过长期稳定性和拉伸应变测试验证了膜分离性能的非凡稳定性,为工业化大规模的应用奠定了基础。该技术提供了一个稳定且精确的二维异质通道,显著提高了钪和其他稀土元素的分离选择性和效率,不仅为其他稀土元素的分离和提纯提供了新思路,也为医用稀土放射性核素的高效分离提供了新的解决方案。据悉,此项创新技术可在医学和工业应用中广泛推广,为稀土资源的高效利用和可持续发展作出重要贡献。

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