【人物与科研】兰州大学陈熙萌/李湛团队Adv. Mater.：石墨烯异质结重水膜分离技术的重大研究进展

导语

同位素是指具有相同原子序数但质量数（或中子数）不同的核素。根据物理特性不同，同位素可分成放射性同位素和稳定性同位素。同位素的发现使人们对原子结构有了更深刻的认识，并且同位素在核技术、医疗、农业等领域中都有着无可置疑的独特作用。其中，氘（D）作为氢的重要稳定同位素，由其组成的水分子被称为“重水”。重水（D₂O）是国防科技和核能工业的重要战略物资，全世界每年生产的重水达1000吨以上，它不仅可以用于生产裂变核武器中所使用的同位素，而且也是热核聚变的主要原料，同时D在医疗和基础科研领域也有着广泛的应用，因此D₂O对于国民经济和国家安全而言有着不可替代的地位。但就目前的商用技术而言，重水生产成本高，分离设备复杂繁琐、耗能、低效且高污染。此外，随着日益严峻的国际政治关系，重水的生产能力和储备量已经成为影响我国的国家安全重要因素之一，因此亟需发展更为先进的重水生产技术以保证未来核武器、核工业、医疗以及科研等领域的发展。
膜分离技术作为一种新兴分离技术，广泛应用于海水淡化、污水处理、药物分离、放射性废水处理、乏燃料后处理等诸多领域。氧化石墨烯，作为最具有代表性的石墨烯衍生物，因其具有优异性质与独特结构，在膜分离技术研究中极具潜力。然而，目前氧化石墨烯分离膜面临离子穿透效率低、选择性较差等问题，所以依然难以用于性质相似分子、离子之间的分离。针对上述问题，科研人员设计出一系列结构独特和性能优异的多孔石墨烯功能材料，并将其成功应用于难分离体系，如钠钾分子、稀土离子、对映体分子等之间选择性高效膜分离（Anal. Chem. 2016, 88, 10002-10010；Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1805026；iScience 2021, 24, 101920；Anal. Chem. 2020, 92, 13630-13633；Anal. Chem. 2021, 93, 1732-1739；Anal. Chem. 2021, 93, 16175-16183；Cell Rep. Phys. Sci. 2022, 3, 100769.）。这些工作表明，通过氧化石墨烯层间距和层间选择性位点的调控与构筑，即可实现性质相似离子分子之间的选择性渗透，这为膜分离技术的发展提供了参考。
通过前期的工作，研究团队已证实纳孔石墨烯具有较高的选择性吸附氘水分子的性能，且吸附容量大。然而，即使纳孔石墨烯较高传质能力，导致水分子快速穿过纳孔石墨烯层间而无法达到有效吸附，以至于难以实现氢氘水分子的高效筛分，此外纳孔石墨烯片层之间的π-π堆积作用较弱难以单独成膜。因此，兰州大学稀有同位素前沿科学中心陈熙萌、李湛研究团队将一种具有“火山口状”孔隙的多孔石墨烯（PG）纳米片夹在两层GO膜之间，制备出机械性能优异、具有宏观异质结构的GO/PG/GO膜，并实现常温常压下D₂O分子的高选择性筛分。相关研究成果以“Macroscopic Heterostructure Membrane of Graphene Oxide /Porous Graphene/Graphene Oxide for Selective Separation of Deuterium Water from Natural Water”为题发表在Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.202206524）。

图1. GO/PG/GO异质结膜选择性分离D₂O/H₂O（来源：Adv. Mater.）

前沿科研成果

石墨烯异质结重水膜分离技术的重大研究进展

该膜以具有丰富孔隙的PG为筛分单元，以GO膜为流量调节单元。利用GO的层间π-π相互作用力将具有丰富筛分位点的PG在外压的作用下合成一种稳定的类书本状多层堆积膜，能够有效调节溶液在膜层间的流动速度，以便增加氚水分子与PG层间选择性作用位点接触几率，进而实现氢氚水分子之间的选择性高效分离。将该膜用于D₂O/H₂O分离后，表现出97.02%的重水截留率、超高的分离因子（SF_D/H=35.2）、优异的可逆性、超低能耗（3.6 GJ/Kg）和长期稳定性，综合性能远超现有技术。通过一系列机理探究试验及相关计算后发现，GO/PG/GO膜对于氢氘水的超高分离性能归因于石墨烯层间限域空间中的核量子效应和同位素交换过程。此外，利用简单的分离设备仅通过一级分离就可以成功将天然水中的D₂O浓度从0.013%富集到0.059%。因此，这种低能耗、绿色环保、简单快速的膜分离技术有效解决了氢同位素分离的技术瓶颈，推动了H/D分离产业的发展，并具有大规模工业生产和富集重水的潜力。此外该工作首次将负压膜分离技术引入了同位素分离领域，无需超低温条件和复杂设备的投入，绿色环保且安全污染，极具工业化应用潜力。此外该技术具有自主知识产权，其大规模应用必将打破国外对于我国氢同位素分离的技术封锁，解决重水生产中的重大“卡脖子”问题。

图2. 各种吸附剂和膜材料对H/D选择性分离及能耗（来源：Adv. Mater.）

这一成果近日发表于国际材料顶级期刊Advanced Materials上，并被选为Editor’s choice。博士生梁晶、副教授张鑫为本工作共同第一作者，兰州大学稀有同位素前沿科学中心的李湛研究员、陈熙萌教授为通讯作者，研究工作得到了国家自然科学基金的支持。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

平台简介

兰州大学稀有同位素前沿科学中心成立于2020年5月，是集聚学校核学、化学、物理等学科特色与优势，新成立的实体性研究机构，由严纯华院士担任中心主任、首席科学家。中心面向核科学前沿，瞄准稀有同位素高效安全利用领域重大科学问题，开展基础性、前瞻性、多学科交叉融合的创新研究。

作者简介

张鑫，2018年在兰州大学获得理学博士学位（师从陈熙萌教授）；2018年至2021年在兰州大学从事博士后研究工作（合作导师吴王锁教授）；2022年1月留校任教，现为兰州大学核科学与技术学院副教授、硕士生导师。主要研究方向为新型同位素分离技术与轻元素同位素量子效应。获得国家自然科学基金委项目、JWKJW项目等五项。在Advanced Materials、Cell Reports Physical Science、ACS Applied Materials Interface等著名期刊发表SCI论文20余篇。

李湛研究员：兰州大学稀有同位素前沿科学中心研究员，博士生导师。主要针对战略性材料如碱土元素、镧系元素、锕系元素与氢同位素，发展出新颖而独特的石墨烯表面纳米孔的构筑策略与制备技术，发展出适合于碱土离子、稀土离子、锕系离子高效筛分的新型分离技术，推动膜分离技术在武器制造、稀土工业、核燃料后处理、重水生产等重大领域的发展。在Advanced Materials、Cell Reports Physical Science、Advanced Functional Materials、Analytical Chemistry（4篇）等著名期刊发表SCI论文90余篇。主持国家自然科学基金青年项目1项、面上项目2项、中央军委科技委国防创新项目1项，甘肃自然科学基金1项。入选中组部-中科院西部青年学者A类人才项目、中科院青年创新促进会、“西部之光”博士项目。申请发明专利6项，授权2项。 陈熙萌教授：兰州大学核科学与技术学院教授、博士导师。研究领域面向射线与物质相互作用研究。主持航天探月工程项目、军委装备发展部项目、军委科技委项目、973预研项目、国家自然科学基金项目等科研项目三十余项，以及国家级双万专业建设项目、省级精品课程项目、兰州大学精品在线视频课项目等教改项目5项，发表学术论文近180篇，其中被Nature Index认定的论文18篇。

关于人物与科研

今天，科技元素在经济生活中日益受到重视，中国迎来“科学技术爆发的节点”。科技进步的背后是无数科学家的耕耘。在追求创新驱动的大背景下，化学领域国际合作加强，学成归国人员在研发领域的影响日益突出，国内涌现出众多优秀课题组。为此，CBG资讯采取1+X报道机制，携手ChemBeanGo APP、ChemBeanGo官博、CBG资讯公众号等平台推出“人物与科研”栏目，走近国内颇具代表性的课题组，关注研究、倾听故事、记录风采、发掘精神。欢迎来稿，详情请联系C菌微信号：chembeango101。

CBG资讯一直致力于追踪新鲜科研资讯、解读前沿科研成果。如果你也对科研干货、高校招聘、不定期福利（现金红包、翻译奖励、实验室耗材优惠券等）有兴趣，那么，请长按并识别下图二维码，添加C菌微信（微信号：chembeango101），备注：进群。
●朱佳伟教授Advanced Materials：亚3 nm铜嵌入钙钛矿氧化物强化CO2电还原制C2+产物●中国石油大学（华东）孙道峰教授课题组：自适应孔材料实现一步纯化乙烯●温州大学李林和侴术雷、深圳大学轷喆、南开大学赵庆：嵌在碳骨架中的铋纳米颗粒作为高功率密度钾离子电池的负极材料
●复旦大学朱亮亮/上海理工大学岳兵兵：材料相体积率的光调控●清华大学王海辉教授与华南理工大学薛健副研究员AM：快速电泳法制备超薄共价有机框架膜用于精密分子筛分