兰州大学陈熙萌教授和李湛研究员团队在战略元素稀土与铀酰离子膜分离领域连续取得进展

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导读

近日，兰州大学陈熙萌教授和李湛研究员团队通过开发一类全新结构与功能的工程化生物膜和异质结膜通道，展现出类细胞膜离子通道的优异性能，实现了复杂体系中稀土与铀酰离子的精确识别与高效分离。这些突破性研究成果分别发表在材料与化学领域顶级期刊《先进材料》、《先进功能材料》和《化学科学》上。

稀土元素和铀酰离子是现代科技和能源领域中不可或缺的战略资源。稀土元素因其在电子产品、磁性材料、催化剂等方面的广泛应用，被誉为“工业维生素”。铀作为核能发电的关键燃料，其在清洁能源发展中的重要性不言而喻。然而，这些资源的高效提取和利用一直是全球科技和工业发展的瓶颈，尤其是在国际形势复杂多变的背景下，我国在这些关键材料的获取和利用上面临着“卡脖子”问题。海水中蕴藏着丰富的铀资源，但由于其浓度极低且存在大量竞争离子，从海水中高效提取铀依然是一个巨大的技术挑战。因此，开发高效、选择性强且可持续的分离技术，对于稀土和铀资源的高效利用具有重大意义，并直接关系到国家战略资源安全和科技自主创新能力。

膜技术作为重要的分离手段，因其无相变、无添加剂、易于自动化、绿色环保等特点，已被广泛应用于生物、医学、化工、食品等领域。然而，作为一种传质分离过程，构筑一种具有离子识别与筛分的类细胞离子通道的膜通道依然是一个巨大的挑战。二维膜作为一种新兴的分离材料，因其可控的层间距与易于功能化的单原子单元，在离子与分子分离领域中具有巨大的应用潜力。然而，二维膜的层间传质空间过于狭小（亚纳米级），在二维空间中进行精确的材料设计和化学合成，尤其是在实现亚纳米级孔道精确控制方面，面临着巨大的挑战。

针对上述挑战，近日兰州大学陈熙萌教授和李湛研究员团队通过开发一类全新结构与功能的工程化生物膜和异质结膜通道，展现出类细胞膜离子通道的优异性能，实现了复杂体系中稀土与铀酰离子的精确识别与高效分离。这些突破性研究成果分别发表在材料与化学领域顶级期刊《先进材料》、《先进功能材料》和《化学科学》上。这些研究通过创新的二维（2D）异质结构通道和精准膜工程技术，不仅为复杂条件下战略元素的高效分离提供了创新的技术路径，也为未来相关技术的发展奠定了坚实基础。

精确钪筛分的生物膜工程

在《先进材料》上发表的一项研究中，兰州大学团队展示了通过工程化的大肠杆菌膜与石墨烯氧化物（GO）层叠构建的二维异质结构通道。这一设计实现了钪离子（Sc3+）与其他稀土元素的高选择性分离。研究结果表明，这种膜材料在Ce/Sc和La/Sc的分离因子（SF）分别达到约167和103，展现出其在钪提取中的巨大潜力。论文被选为卷首插图文章（Frontispiece）。

协同纳米构筑提升稀土分离效率

发表在《先进功能材料》上的另一项研究解决了在二维亚纳米空间中进行可控化学反应和精确材料构筑的问题。利用氧化石墨烯膜二维层间的限域共生反应，构筑出基于石墨烯/金属有机框架材料/聚多巴胺的垂直异质结二维筛分通道。该膜在分离过程中，部分脱水的小尺寸水合镧系离子优先进入膜的层间空间，与异质结中的二维聚多巴胺配位，扩大并固定层间空间，以便抑制较大尺度的水合钪离子渗入。而进入层间通道的一些钪离子则被与其尺寸匹配的金属有机框架材料(ZIF-8)孔中的氮元素吸引并捕获，进一步抑制其层间传输。通过这种独特的筛分机制，实现了钪与其他稀土元素的选择性筛分。该膜在分离稀土元素钪（Sc3+）与镧系元素方面表现出色，分离因子高达68.73，为稀土元素高效分离提供了新的技术路径。

二维层状膜用于海水提铀

发表在英国皇家学会（RCS）旗舰刊《化学科学》上的文章，重点研究了二维层状膜在海水提铀中的应用。通过在GO膜中嵌入具有特异性识别铀酰离子（UO22+）的DNA片段，研究人员成功构建了仿生二维通道，实现了高效的铀分离。实验结果显示，这种膜在真实海水中对铀酰离子的拒绝率接近100%，且在10个循环后依然保持良好的选择性，铀/钒的分离因子达到了14.66。这不仅展示了GO膜在铀分离中的优异性能，也揭示了二维膜设计在化学工程中的广泛应用潜力研究结果表明，基于GO的膜材料具有卓越的传质能力，可广泛应用于从海水中提取铀。

这一系列研究不仅在稀土和铀酰离子分离技术领域取得了重要突破，也为高科技产业和绿色能源的发展提供了坚实的技术支撑。随着这些研究的进一步推进，稀土和铀酰离子的高效分离和纯化将为高科技和工业应用带来更广阔的前景。

兰州大学稀有同位素前沿科学中心为第一单位和唯一通讯单位。梁晶博士为《先进材料》论文的第一作者，陈熙萌教授、李湛研究员和青年研究员田龙龙为共同通讯作者。硕士生吕紫霄为《先进功能材料》论文的第一作者，李湛研究员与钱丽娟副教授为共同通讯作者。博士生梁文彬为《化学科学》论文的第一作者，李湛研究员与田龙龙青年研究员为共同通讯作者。陈熙萌教授和吴王锁教授对系列工作提供了大量的指导与支持。系列研究工作受到国家重点研发计划（稀土新材料）专项、国家自然科学基金、甘肃省重点人才项目、兰州大学中央高校基本科研业务费、兰州市青年人才项目资助。

文章链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202404629

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202409274

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/sc/d4sc02801e

来源：兰州大学