英國研究人員開發新型蛋白質膜以分離鋰和鈉用於電池生產

英國研究人員正在開發一種新方法，利用工程化蛋白質提取電池所需的鋰，這些蛋白質能夠組裝成孔徑小至 1 埃的膜，從而可能實現鋰與化學性質相似的鈉的分離。該方法使用 S 層蛋白質，這些蛋白質自然形成微生物表面高度有序的結構。研究人員的目標是修改這些蛋白質，以創建具有均勻孔徑的膜，能夠選擇性地分離鋰和鈉離子。來自伯明翰大學和阿斯頓大學的科學家正在針對 1 至 50 埃的孔徑大小進行研究，其中 1 埃等於十億分之一米。

其目標是製造能在實際操作條件下執行高度選擇性分離的大面積膜。這項為期三年的計劃已獲得英國先進研究與發明機構（ARIA）撥款 620 萬英鎊。

膜的設計與篩選過程

研究人員將設計並篩選數千種蛋白質變體，然後將最有前景的候選者擴大至膜的製造和測試。所提議的膜將使用 S 層蛋白質，這些蛋白質自然在許多微生物的表面形成有序的二維結構。這些蛋白質可以組裝成重複的圖案，而無需單獨定位每個組件。研究人員計劃修改它們的結構，以創建具有可控尺寸和化學特性的孔。將設計和篩選成千上萬的蛋白質變體，以確定能夠分離鋰和鈉離子的候選者。最有前景的版本將在更大規模下生產，並納入膜系統。

伯明翰大學的項目負責人 Dominik Kubicki 博士表示：「生物學能夠構建有序材料，其精度是現有製造方法難以實現的。我們旨在利用這一點創造具有均勻、可編程孔的膜。」Fold9 將負責蛋白質的計算設計，而 Adaptyv Bio 將提供 Qualcomm 量篩選，以測試大量變體。總部位於英國的 Evove 將貢獻膜的製造、擴大和測試專業知識。研究人員還將使用低溫電子顯微鏡（cryo-EM）和中子反射率法檢查膜結構的納米級特性。

這些技術將有助於確定孔幾何形狀的變化如何影響離子的選擇性、穩定性和傳輸。

擴大膜製造的挑戰

將膜的規模擴展至實驗室以外是一個主要挑戰。該團隊計劃結合蛋白質生產、膜製造和測試，以評估這些材料在更大規模製造時是否能保留其選擇性特性。伯明翰大學的 Owen Thomas 教授表示：「一個關鍵挑戰是將分子級的控制轉化為能夠在實用規模下製造和運作的膜。」該項目是 ARIA 的「通用製造商」計劃的一部分，該計劃探索使用工程化蛋白質作為製造具有可控結構材料的建築塊。

儘管鋰提取是初步目標，但研究人員相信這一方法最終可支持水處理、關鍵礦物回收以及化學和製藥製造。

該技術目前仍處於開發階段。該團隊尚未報告工作中的工業規模膜、鋰回收率或測量的能源節省。為期三年的計劃將測試工程化蛋白質是否能提供實用分離系統所需的選擇性、耐用性和可擴展性。

新型蛋白質膜的潛在應用與挑戰

這項研究展示了工程化蛋白質在電池生產中的潛力，特別是在鋰與鈉的選擇性分離方面。利用生物學的精密性，研究人員希望能創造出具有可控孔徑的膜，這對於提高電池效率至關重要。然而，將實驗室技術擴展至工業規模仍然面臨挑戰，特別是在保持膜的選擇性特性方面。若成功，這項技術不僅能改善電池生產，還可能在水處理和礦物回收等領域發揮重要作用，顯示出其廣泛的應用潛力。