英国研究人员开发新型蛋白质膜以分离锂和钠用于电池生产

英国研究人员正在开发一种新方法，利用工程化蛋白质提取电池所需的锂，这些蛋白质能够组装成孔径小至 1 埃的膜，从而可能实现锂与化学性质相似的钠的分离。该方法使用 S 层蛋白质，这些蛋白质自然形成微生物表面高度有序的结构。研究人员的目标是修改这些蛋白质，以创建具有均匀孔径的膜，能够选择性地分离锂和钠离子。来自伯明翰大学和阿斯顿大学的科学家正在针对 1 至 50 埃的孔径大小进行研究，其中 1 埃等于十亿分之一米。

其目标是制造能在实际操作条件下执行高度选择性分离的大面积膜。这项为期三年的计划已获得英国先进研究与发明机构（ARIA）拨款 620 万英镑。

膜的设计与筛选过程

研究人员将设计并筛选数千种蛋白质变体，然后将最有前景的候选者扩大至膜的制造和测试。所提议的膜将使用 S 层蛋白质，这些蛋白质自然在许多微生物的表面形成有序的二维结构。这些蛋白质可以组装成重复的图案，而无需单独定位每个组件。研究人员计划修改它们的结构，以创建具有可控尺寸和化学特性的孔。将设计和筛选成千上万的蛋白质变体，以确定能够分离锂和钠离子的候选者。最有前景的版本将在更大规模下生产，并纳入膜系统。

伯明翰大学的项目负责人 Dominik Kubicki 博士表示：“生物学能够构建有序材料，其精度是现有制造方法难以实现的。我们旨在利用这一点创造具有均匀、可编程孔的膜。”Fold9 将负责蛋白质的计算设计，而 Adaptyv Bio 将提供 Qualcomm 量筛选，以测试大量变体。总部位于英国的 Evove 将贡献膜的制造、扩大和测试专业知识。研究人员还将使用低温电子显微镜（cryo-EM）和中子反射率法检查膜结构的纳米级特性。

这些技术将有助于确定孔几何形状的变化如何影响离子的选择性、稳定性和传输。

扩大膜制造的挑战

将膜的规模扩展至实验室以外是一个主要挑战。该团队计划结合蛋白质生产、膜制造和测试，以评估这些材料在更大规模制造时是否能保留其选择性特性。伯明翰大学的 Owen Thomas 教授表示：“一个关键挑战是将分子级的控制转化为能够在实用规模下制造和运作的膜。”该项目是 ARIA 的“通用制造商”计划的一部分，该计划探索使用工程化蛋白质作为制造具有可控结构材料的建筑块。

尽管锂提取是初步目标，但研究人员相信这一方法最终可支持水处理、关键矿物回收以及化学和制药制造。

该技术目前仍处于开发阶段。该团队尚未报告工作中的工业规模膜、锂回收率或测量的能源节省。为期三年的计划将测试工程化蛋白质是否能提供实用分离系统所需的选择性、耐用性和可扩展性。

新型蛋白质膜的潜在应用与挑战

这项研究展示了工程化蛋白质在电池生产中的潜力，特别是在锂与钠的选择性分离方面。利用生物学的精密性，研究人员希望能创造出具有可控孔径的膜，这对于提高电池效率至关重要。然而，将实验室技术扩展至工业规模仍然面临挑战，特别是在保持膜的选择性特性方面。若成功，这项技术不仅能改善电池生产，还可能在水处理和矿物回收等领域发挥重要作用，显示出其广泛的应用潜力。