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稀土元素和鈾酰離子是現(xiàn)代科技和能源領(lǐng)域中不可或缺的戰(zhàn)略資源。稀土元素因其在電子產(chǎn)品、磁性材料、催化劑等方面的廣泛應(yīng)用，被譽(yù)為“工業(yè)維生素”。鈾作為核能發(fā)電的關(guān)鍵燃料，其在清潔能源發(fā)展中的重要性不言而喻。然而，這些資源的高效提取和利用一直是全球科技和工業(yè)發(fā)展的瓶頸，尤其是在國(guó)際形勢(shì)復(fù)雜多變的背景下，我國(guó)在這些關(guān)鍵材料的獲取和利用上面臨著“卡脖子”問(wèn)題。海水中蘊(yùn)藏著豐富的鈾資源，但由于其濃度極低且存在大量競(jìng)爭(zhēng)離子，從海水中高效提取鈾依然是一個(gè)巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。因此，開發(fā)高效、選擇性強(qiáng)且可持續(xù)的分離技術(shù)，對(duì)于稀土和鈾資源的高效利用具有重大意義，并直接關(guān)系到國(guó)家戰(zhàn)略資源安全和科技自主創(chuàng)新能力。

膜技術(shù)作為重要的分離手段，因其無(wú)相變、無(wú)添加劑、易于自動(dòng)化、綠色環(huán)保等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于生物、醫(yī)學(xué)、化工、食品等領(lǐng)域。然而，作為一種傳質(zhì)分離過(guò)程，構(gòu)筑一種具有離子識(shí)別與篩分的類細(xì)胞離子通道的膜通道依然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。二維膜作為一種新興的分離材料，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(guò)于狹?。▉喖{米級(jí)），在二維空間中進(jìn)行精確的材料設(shè)計(jì)和化學(xué)合成，尤其是在實(shí)現(xiàn)亞納米級(jí)孔道精確控制方面，面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，近日蘭州大學(xué)陳熙萌教授和李湛研究員團(tuán)隊(duì)通過(guò)開發(fā)一類全新結(jié)構(gòu)與功能的工程化生物膜和異質(zhì)結(jié)膜通道，展現(xiàn)出類細(xì)胞膜離子通道的優(yōu)異性能，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜體系中稀土與鈾酰離子的精確識(shí)別與高效分離。這些突破性研究成果分別發(fā)表在材料與化學(xué)領(lǐng)域頂級(jí)期刊《先進(jìn)材料》、《先進(jìn)功能材料》和《化學(xué)科學(xué)》上。這些研究通過(guò)創(chuàng)新的二維（2D）異質(zhì)結(jié)構(gòu)通道和精準(zhǔn)膜工程技術(shù)，不僅為復(fù)雜條件下戰(zhàn)略元素的高效分離提供了創(chuàng)新的技術(shù)路徑，也為未來(lái)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

精確鈧篩分的生物膜工程

在《先進(jìn)材料》上發(fā)表的一項(xiàng)研究中，蘭州大學(xué)團(tuán)隊(duì)展示了通過(guò)工程化的大腸桿菌膜與石墨烯氧化物（GO）層疊構(gòu)建的二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)通道。這一設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了鈧離子（Sc3+）與其他稀土元素的高選擇性分離。研究結(jié)果表明，這種膜材料在Ce/Sc和La/Sc的分離因子（SF）分別達(dá)到約167和103，展現(xiàn)出其在鈧提取中的巨大潛力。論文被選為卷首插圖文章（Frontispiece）。

協(xié)同納米構(gòu)筑提升稀土分離效率

發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》上的另一項(xiàng)研究解決了在二維亞納米空間中進(jìn)行可控化學(xué)反應(yīng)和精確材料構(gòu)筑的問(wèn)題。利用氧化石墨烯膜二維層間的限域共生反應(yīng)，構(gòu)筑出基于石墨烯/金屬有機(jī)框架材料/聚多巴胺的垂直異質(zhì)結(jié)二維篩分通道。該膜在分離過(guò)程中，部分脫水的小尺寸水合鑭系離子優(yōu)先進(jìn)入膜的層間空間，與異質(zhì)結(jié)中的二維聚多巴胺配位，擴(kuò)大并固定層間空間，以便抑制較大尺度的水合鈧離子滲入。而進(jìn)入層間通道的一些鈧離子則被與其尺寸匹配的金屬有機(jī)框架材料(ZIF-8)孔中的氮元素吸引并捕獲，進(jìn)一步抑制其層間傳輸。通過(guò)這種獨(dú)特的篩分機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了鈧與其他稀土元素的選擇性篩分。該膜在分離稀土元素鈧（Sc3+）與鑭系元素方面表現(xiàn)出色，分離因子高達(dá)68.73，為稀土元素高效分離提供了新的技術(shù)路徑。

二維層狀膜用于海水提鈾

發(fā)表在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)（RCS）旗艦刊《化學(xué)科學(xué)》上的文章，重點(diǎn)研究了二維層狀膜在海水提鈾中的應(yīng)用。通過(guò)在GO膜中嵌入具有特異性識(shí)別鈾酰離子（UO22+）的DNA片段，研究人員成功構(gòu)建了仿生二維通道，實(shí)現(xiàn)了高效的鈾分離。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，這種膜在真實(shí)海水中對(duì)鈾酰離子的拒絕率接近100%，且在10個(gè)循環(huán)后依然保持良好的選擇性，鈾/釩的分離因子達(dá)到了14.66。這不僅展示了GO膜在鈾分離中的優(yōu)異性能，也揭示了二維膜設(shè)計(jì)在化學(xué)工程中的廣泛應(yīng)用潛力研究結(jié)果表明，基于GO的膜材料具有卓越的傳質(zhì)能力，可廣泛應(yīng)用于從海水中提取鈾。

這一系列研究不僅在稀土和鈾酰離子分離技術(shù)領(lǐng)域取得了重要突破，也為高科技產(chǎn)業(yè)和綠色能源的發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。隨著這些研究的進(jìn)一步推進(jìn)，稀土和鈾酰離子的高效分離和純化將為高科技和工業(yè)應(yīng)用帶來(lái)更廣闊的前景。

蘭州大學(xué)稀有同位素前沿科學(xué)中心為第一單位和唯一通訊單位。梁晶博士為《先進(jìn)材料》論文的第一作者，陳熙萌教授、李湛研究員和青年研究員田龍龍為共同通訊作者。碩士生呂紫霄為《先進(jìn)功能材料》論文的第一作者，李湛研究員與錢麗娟副教授為共同通訊作者。博士生梁文彬?yàn)椤痘瘜W(xué)科學(xué)》論文的第一作者，李湛研究員與田龍龍青年研究員為共同通訊作者。陳熙萌教授和吳王鎖教授對(duì)系列工作提供了大量的指導(dǎo)與支持。系列研究工作受到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（稀土新材料）專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金、甘肅省重點(diǎn)人才項(xiàng)目、蘭州大學(xué)中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)、蘭州市青年人才項(xiàng)目資助。

文章鏈接：

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