蘭州大學研究團隊稀土元素高效膜分離技術獲進展

近日，蘭州大學稀有同位素前沿科學中心陳熙萌、李湛團隊的一項題為“構建二維異質結構通道：利用工程化生物膜和石墨烯進行精準的鈧篩分”的突破性研究成果發表在國際頂級期刊《先進材料》（Advanced Materials）。

稀土元素作為重要的戰略元素，在先進制造以及生命醫學領域具有極其重要的意義。然而單一稀土元素的工業需求純度極高，此外稀土元素常以共生礦的形式存在。此外，稀土放射性核素在癌癥治療等領域具有廣泛應用，其高純度和穩定性對提高療效和安全性至關重要。

因稀土元素半徑相似和化學性質相近，傳統的包括化學過程的萃取分離和基于物理過程的膜分離等方法面臨環境友好性差、選擇性低、成本高等問題。因此發展一類簡單快速高效的稀土分離技術，對于推動我國經濟社會的發展具有極其重要的意義。膜分離技術作為一種先進的新興分離技術，因其綠色環保、無相變、無添加劑引入、易于自動化操作等優勢，已被廣泛的應用于工業、農業、食品與藥物生產領域。

團隊成員利用工程生物膜和氧化石墨烯納米片之間的二級結構，成功構建了一種具有高效分離性能的二維異質通道。這項全新的膜技術不但實現了鈧離子的選擇性識別與篩分分離，還對其他稀土元素的分離和提純具有重要意義。

研究團隊受細胞離子通道蛋白的啟發，創新性地將工程生物膜嵌入氧化石墨烯膜層之間，通過在異質通道中引入具有超強親和力的鑭離子結合蛋白（LanM），實現了對特定稀土離子的精準識別和篩選。工程細菌外膜首次被剝離并插入氧化石墨烯膜層之間，以保護LanM蛋白，利用外膜中豐富的脂類和糖類與氧化石墨烯膜功能基團之間的相互作用，精確固定膜層間距，大幅提升了膜的熱力學穩定性和機械性能。

此外，研究團隊借鑒細胞仿生膜的特性，將其與氧化石墨烯結合，進一步優化了膜的選擇性和穩定性。仿生膜模仿了天然細胞膜的結構和功能，具備自我修復、選擇性透過等優點，使得二維異質結構通道在實際應用中更加高效和可靠。通過引入仿生膜，研究團隊成功解決了傳統膜分離技術中存在的一些局限，使膜分離技術在稀土元素的分離純化方面取得了突破性進展。

與傳統方法相比，該方法不僅簡單、快速、高效、綠色環保、低成本，而且展現出對鈧離子（Sc3+）的更加出色選擇性分離性能（Ce3+/Sc3+選擇性系數高達167, La3+/Sc3+選擇性系數高達103, Yb3+/Sc3+選擇性系數高達69），此外研究人員也通過長期穩定性和拉伸應變測試驗證了膜分離性能的非凡穩定性，為工業化大規模的應用奠定了基礎。

該技術提供了一個穩定且精確的二維異質通道，顯著提高了鈧和其他稀土元素的分離選擇性和效率，不僅為其他稀土元素的分離和提純提供了新思路，也為醫用稀土放射性核素的高效分離提供了新的解決方案。未來，此項創新技術可在醫學和工業應用中廣泛推廣，為稀土資源的高效利用和可持續發展做出重要貢獻。

相關論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202404629

  相關圖片。蘭州大學供圖