Мидии вдохновляют на эко

Уникальная и замечательная способность мидий прикрепляться к подводным поверхностям, таким как камни, вдохновила на создание нового, более эффективного и экологически чистого способа извлечения важнейших редкоземельных элементов. Фото: предоставлено Лабораторией Шейхи/Пенсильванский университет. Все права защищены.

9 августа 2023 г.

Джейми Обердик

УНИВЕРСИТЕТ-ПАРК, Пенсильвания — Существует загадка вокруг редкоземельных элементов (РЗЭ). Они играют ключевую роль в экологически чистой энергетике, жизненно важной для производства легких, эффективных батарей и основных компонентов ветряных турбин. И наоборот, традиционная добыча этих элементов вызывает экологические проблемы, начиная от разрушения среды обитания и загрязнения воды и воздуха до большого количества энергии, необходимой для добычи и переработки этих элементов.

Чтобы решить эту проблему, исследователи из штата Пенсильвания нашли вдохновение в морских глубинах: липкость мидий. Имитируя этот природный клей, исследователи разработали новое наноцеллюлозное покрытие (MINC), напоминающее мидии, которое продемонстрировало, как они называют, «замечательную, даже удивительную» способность извлекать РЗЭ из вторичных источников, таких как промышленные сточные воды, без использования большого количества энергии. .

Они опубликовали работу 31 июля в журнале ACS Applied Materials and Interfaces. В сентябре оно появится на обложке журнала.

Мидии обладают замечательной способностью прилипать к поверхностям под водой благодаря адгезионным свойствам молекул на основе катехина, обнаруженных в белках мидий. MINC отражает это, поскольку состоит из ультра-мелких волосатых нанокристаллов целлюлозы с уникальными липкими свойствами. MINC наносится на подложку с помощью метода, называемого формированием рекламного слоя, опосредованным дофамином. Химическая реакция позволяет MINC образовывать тонкий слой молекул на поверхности, что делает его способным прилипать к широкому спектру подложек.

«Подход MINC предлагает устойчивую и экологически чистую альтернативу традиционным методам добычи, минимизируя воздействие на окружающую среду и способствуя долгосрочной доступности критически важных элементов», — сказал ведущий автор Амир Шейхи, доцент кафедры химической и биомедицинской инженерии. из вежливости.

Исследователи сосредоточились на применении MINC для извлечения определенного редкоземельного элемента - неодима. Министерство энергетики США включило неодим в список критически важных материалов из-за нехватки поставок и его большого влияния на новые устойчивые технологии, такие как аккумуляторы для электромобилей и магниты, используемые в системах питания электромобилей и ветряных турбин. Однако «редкая» часть редкоземельных элементов особенно актуальна для неодима, поскольку отсутствие готового к извлечению запаса этого критического элемента вынуждает извлекать его из вторичных источников, таких как переработка промышленных сточных вод. По словам Шейхи, это может быть как неэффективно, так и энергоемко.

«Ограниченные глобальные поставки неодима и воздействие современных методов добычи на окружающую среду требуют разработки экологически чистых и устойчивых подходов к извлечению РЗЭ», — сказал Шейхи, пояснив, что традиционные методы добычи используют значительные количества токсичных химикатов, таких как керосин, для очистить целевой элемент. «Предыдущие методы экстракции редкоземельных элементов использовали такие адсорбенты, как альгинатные гели, фосфорные золь-гель материалы, нанотрубки и пористый углерод, но эти методы демонстрируют ограниченную эффективность».

Амир Шейхи, доцент кафедры химической инженерии и биомедицинской инженерии, любезно предоставлено (слева) и Доусон Александер, студент-исследователь из Исследовательской группы Шейхи, который вместе с Шейхи был соавтором статьи, опубликованной в журнале ACS Applied Materials and Interfaces. . Фото: Исследовательская группа Шейхи. Все права защищены.

Покрытие MINC действует по отношению к неодиму как магнит по отношению к железу, вытягивая РЗЭ из воды, даже если этот элемент присутствует только в количествах, ограниченных долями на миллион.

«Проблема извлечения неодима заключается в достижении эффективного и селективного удаления его при низких концентрациях», — сказал Шейхи. «МИНЦ, представленный в этом исследовании, предлагает улучшенную селективность и способность к удалению неодима, преодолевая ограничения предыдущих методов».