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膜分離技術(shù)的核心在于分離膜的研發(fā)。然而，傳統(tǒng)分離膜主要依靠孔徑篩分，難以實現(xiàn)尺寸相近的水合離子分離。作為一種新興的分離膜，二維膜因其可控的層間距與易于功能化的單原子單元，在離子與分子分離領(lǐng)域中具有巨大的應(yīng)用潛力。然而，二維膜的層間傳質(zhì)空間過于狹?。▉喖{米級），實現(xiàn)亞納米級孔道精確控制以及功能化修飾依然面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

基于以上背景，蘭州大學(xué)教育部稀有同位素前沿科學(xué)中心的陳熙萌教授和李湛研究員團隊，提出了一系列二維膜傳質(zhì)通道尺寸調(diào)控及功能化修飾策略，并在復(fù)雜鹵水體系中鈾與鋰的精確識別與高效分離領(lǐng)域取得了重要進展。這些成果不僅為鈾、鋰戰(zhàn)略資源的提取提供了新的技術(shù)，也推動了全球能源安全和環(huán)境可持續(xù)性發(fā)展。

1.二維生物工程膜助力海水提鈾新進展：

研究團隊通過將超級鈾酰結(jié)合蛋白（SUP）改造的大腸桿菌插入二維（2D）MXene（Ti3C2TX）層中，通過壓力趨勢的自組裝過程，開發(fā)了一種“類書本結(jié)構(gòu)”的二維多功能復(fù)合膜，實現(xiàn)了海水中鈾酰離子的精確識別與高效分離。SUP賦予生物無機雜化膜對鈾酰離子超高的選擇性，而工程化的大腸桿菌則提高了膜的機械強度和經(jīng)濟性。實驗結(jié)果表明，該膜實現(xiàn)了鈾酰離子的精確識別和優(yōu)異的離子篩選性能（SFU/V≈ 43，SFNa/U≈ 158）。優(yōu)異的分離性能和循環(huán)穩(wěn)定性測試證明了該膜的工業(yè)應(yīng)用潛力。這項研究成果已于2024年11月在美國化學(xué)會著名期刊Nano Letters上發(fā)表，題為“Layered Bio-Inorganic MXene Membranes: A Green Approach for Uranium Extraction from Seawater Using Genetically Modified E. coli”。碩士研究生毛驍楠為論文第一作者，蘭州大學(xué)稀有同位素前沿科學(xué)中心李湛研究員與田龍龍青年研究員為論文共同通訊作者。

2.二維多功能復(fù)合膜助力鹽湖提鋰新技術(shù)：

研究團隊利用金屬間的協(xié)同效應(yīng)在氧化石墨烯層間開發(fā)一種新型的雙金屬有機框架（MOF）/石墨烯氧化物（GO）復(fù)合膜。即在室溫條件下將2-甲基咪唑引入氧化石墨烯層間，接著Zn2+和Co2+被氧化石墨烯納米片捕獲，并與咪唑配體形成強配位鍵，實現(xiàn)ZIF-8和ZIF-67在氧化石墨烯層間的原位合成。該工作主要闡明了二維亞納米空間內(nèi)通過離子交換策略合成橫向異制通道的新策略并用于真實鹽湖提鋰，其對鋰鎂的分離因子可達191。這一創(chuàng)新的膜材料不僅增強了鋰的提取能力，還克服了現(xiàn)有技術(shù)的諸多不足，為鹽湖鋰資源的可持續(xù)提取提供了鋅的解決方案。這項研究成果以“2D Membranes Interlayered with Bimetallic Metal-Organic Frameworks for Lithium Separation from Brines”為題發(fā)表在美國化學(xué)會期刊Nano Letters上。蘭州大學(xué)和中國科學(xué)院青海鹽湖所聯(lián)合培養(yǎng)的碩士研究生袁芙蓉為論文第一作者，青海鹽湖所的彭姣玉副研究員和蘭州大學(xué)稀有同位素前沿科學(xué)中心的李湛研究員為共同通訊作者。

此外，研究團隊還設(shè)計了一種多孔ZnFe2O4/ZnO納米片，并將其嵌入Ag+調(diào)控的亞納米層間通道中，形成了獨特的二維異質(zhì)通道結(jié)構(gòu)。在這個通道內(nèi)，氧原子帶有負電荷，與高電荷密度的鎂離子發(fā)生強相互作用，從而精準“鎖定”鎂離子，而鋰離子則能夠快速通過。這一機制與傳統(tǒng)的表面電荷排斥機制不同，后者僅依賴于膜表面的電荷排斥效應(yīng)，而電荷鎖定機制則通過在層間結(jié)構(gòu)內(nèi)實現(xiàn)精準的離子捕捉，具有更高的選擇性。該研究成果以“Fine‐Tuning 2D Heterogeneous Channels for Charge‐Lock Enhanced Lithium Separation from Brine”為題，發(fā)表在《Advanced Science》上。博士研究生郝亞新為論文的第一作者，蘭州大學(xué)稀有同位素前沿科學(xué)中心李湛研究員為論文的通訊作者。

陳熙萌教授和吳王鎖教授為以上工作提供了重要改進意見。上述工作由蘭州大學(xué)稀有同位素前沿科學(xué)中心主導(dǎo)完成，中國科學(xué)院青海鹽湖研究所，青海民族大學(xué)為該工作提供了大力支持。上述研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃，國家自然科學(xué)基金委項目、蘭州大學(xué)中央高校基本科研業(yè)務(wù)費交叉團隊項目等的資助。

【文章鏈接】

《Nano Letters》: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c04709

《Nano Letters》: https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.4c04040

《Advanced Science》: https://doi.org/10.1002/advs.202406535