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近日，蘭州大學教育部稀有同位素前沿科學中心教授陳熙萌、研究員李湛團隊在鹽湖鹵水戰略元素膜分離研究領域取得系列新進展。相關研究工作發表在美國化學會旗艦期刊《美國化學會志·金》上，并被選為封面文章。這一新型的二維異質結復合膜的成功研發，為先進膜材料的構建和鹵水戰略元素的分離提供了堅實的理論與技術支持。
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相關研究入選《美國化學會志·金》封面文章。課題組供圖
傳統鹽湖提鋰技術存在二次污染、成本高、回收率低、選擇性差等問題。氧化石墨烯膜作為一種新興的二維膜分離材料，其可控的層間結構與超高的水通量，在海水淡化、污水處理以及分離分析領域具有廣闊的應用前景。然而，其易于腫脹、變形、失效的二維層間通道，限制了其在真實環境中多離子之間的選擇性、快速、高效分離，是影響應用的瓶頸難點。
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蘭州大學自主研發系列二維膜。課題組供圖
該團隊成功設計出一種全新結構的二維異質結復合膜。這一膜利用膜層間的限域傳輸過程，成功實現了在真實鹽湖環境中對鋰及相關戰略元素的分離提取。
研究團隊通過在氧化石墨烯膜的二維夾層中通過單離子誘導合成策略原位限域合成出二維金屬有機框架材料和二維海藻酸鈉納米帶，進而構建出一種全新結構的二維三元異質結膜。該類二維異質結通道可允許小尺寸水合離子的快速通過，同時阻止了較大尺寸水合離子在二維膜層間的快速傳輸，進而實現了混合體系中多離子之間的超高選擇性尺寸篩分，鋰鉀、鈉鉀以及鋰鎂分離因子分別達到20.9、31.2和9.5，具有較高的工業化應用前景。“金屬有機框架材料/石墨烯異質結構的存在顯著提高了膜分離選擇性，而聚合物/石墨烯異質結構的存在改善了膜機械強度和穩定性，進而大幅改善了膜的實際應用潛力。”陳熙萌說。
李湛介紹，該技術實現了二維膜材料對于復雜體系中多離子之間的篩分，并闡明了多種離子在二維層間的尺寸限域篩分機理，不但為先進二維膜材料的設計與構筑提供了新思路，也為復雜體系中相似物質之間的高效分離提取提供了一種新技術，同時為鹽湖鹵水中鋰離子的分離提取開辟了一條新路線。
此前，研究團隊還通過研究氧化石墨烯納米片在渦旋剪切力場中結構組成的動態變化過程，發展出一種更簡單的渦旋力場拉伸堆積成膜策略，制備出高選擇性、低能耗的超平層間結構的渦旋氧化石墨烯膜，實現了青海茶卡鹽湖中鋰、鉀、鎂等離子的選擇性高效分離。該工作于2023年10月被美國化學會期刊《納米快報》以封面文章報道。
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相關研究入選《納米快報》封面文章。課題組供圖
相關論文信息：
https://doi.org/10.1021/jacsau.3c00473