研究背景
海水中含有约 45 亿吨铀，这为核能的可持续发展和解决全球能源危机提供了巨大潜力。海水提铀不仅能缓解陆地铀资源枯竭的问题，还能为未来的核能发展提供稳定的原料供应。
然而，海水提铀技术的开发面临着复杂性和迫切性的双重挑战。目前，海水提铀技术尚不成熟。海水中的铀浓度极低，约为 3 微克每升，这使得从中提取铀具有很高的技术难度和成本。此外，海水中存在大量其他离子，如钠、钾、钙和镁，这些离子的浓度远高于铀，进一步增加了分离铀的复杂性。
因此，开发一种能够高选择性、高渗透性地提取海水中铀的膜技术显得尤为迫切和重要。膜分离技术，特别是二维层状膜的兴起，为海水提铀提供了一种全新的思路。然而，开发一种能够实现海水中微量铀高效分离提取的可行膜材料仍然是一项重大挑战。
文章简介
近日，兰州大学陈熙萌／李湛课题组设计了一种具有离子识别功能和pH响应特性的 DNA 分子，并将其插入氧化石墨烯 (GO) 层间空间内，制备出带有离子识别通道的二维层状膜 (GO-DNA)，实现了天然海水中铀酰离子的高效筛分。
Figure 1.带有离子识别通道的二维层状膜示意图
该工作设计的 DNA 分子由 poly A(10)、U Aptamer 和 i-motif 三部分组成。Poly A(10)可通过 π-π 相互作用将 DNA 分子固定于 GO 层间空间内（Figure 2a）。吸附实验结果显示，GO 对 DNA 几乎完全吸附；同时，膜制备过程中产生的滤液中未检测到 DNA，这表明所有 DNA 链都成功固定在 GO-DNA 膜内，证实了通过 π–π 相互作用在 GO 层间空间中固定 DNA 分子的有效性。
I-motif 的二级结构具有 pH 依赖特性（Figure 2c），将其引入 GO 层间空间后，GO 膜的 (001) 峰（约 12°）左移，表明 GO 膜的层间距增加。不同pH值下，这种左移的程度有所不同（Figure 2b）。这种 pH 依赖的层间距变化可归因于 pH 依赖的 i-motif 结构。在碱性条件下，i-motif 二级结构的影响较小，层间距的扩展主要是由于 DNA 分子本身的大小所致。而在酸性条件下，i-motif 四链体结构的形成导致 GO 层间距显著增加。GO 膜层间距的变化直接影响其离子透过性。使用典型的一价离子（Na+ 和 K+）和二价离子（Ca2+ 和 Mg2+）评估 GO-DNA 膜的离子透过性（Figure 2d）。结果表明，DNA 分子的引入可以根据体系的 pH 值动态调整 GO 膜的层间距，从而调节其离子透过性。
Figure 2. a. DNA 碱基与氧化石墨烯之间的 π-π 相互作用示意图 b. GO-DNA 膜在pH=2、4、6 和 8 时的 XRD 表征结果 c. i-motif 结构的 pH 依赖性与 GO-DNA 膜的层间空间之间的构效关系 d. 与 GO 膜相比 GO-DNA 膜在 pH=2、4、6 和 8 时离子透射率的百分比增长率。
U Aptamer 可特异性识别并结合铀酰离子，阻碍其跨膜传输，从而提高二维层状膜的选择性，进而实现了海水中铀酰离子的高效筛分。在不同 pH 值（pH = 4, 6, 和 8）下，GO-DNA 膜对铀离子展示了出色的排斥性能，表明在 DNA 分子稳定的pH条件下，GO-DNA 膜具有优异的分离性能，铀/钒分离因子最高可达 14.66（Figure 3a-c）。随着 DNA 加入量的增加，铀离子的透过率逐渐降低，表明 DNA 的引入增强了 GO 膜对铀离子的选择性（Figure 3d.）。即使在低铀酰离子浓度下，GO-DNA 膜仍表现出优异的分离能力，显示出良好的应用前景（Figure 3e）。GO-DNA 膜在经历十个循环后，其离子透过率波动在一定范围内，铀离子的排斥率保持稳定，显示出良好的循环稳定性，表明 DNA 序列在分离过程中的稳定性（Figure 3f.）。在压力过滤实验中，GO-DNA 膜的在加标真实海水中展示了出色的铀离子排斥能力，同时对共存离子的排斥较低，进一步证明了 GO-DNA 膜的优异分离性能（Figure 3g-h）。
Figure 3. GO-DNA 膜分离性能测试。GO 膜和 GO-DNA 膜在 pH=4（a）、pH=6（b）和 pH=8（c）的加标模拟海水中的透过率。GO-DNA 膜在加入不同 DNA 量（d）和加入不同铀浓度（e）后进行 12 小时分离实验后的分离因子。（f）未经任何处理的 GO-DNA 膜在加标真实海水中循环使用 10 次后的分离因子。（g）在压力为 0.08 Mpa 的压力过滤实验中 GO-DNA 膜的离子截留率和（h）分离因子。（i）GO 膜和 GO-NDA 膜的抗菌能力。（j）铀和钒分离性能比较。
Figure 4. 二维层状膜的离子传输示意图
论文信息
Designing Biomimetic Two-Dimensional Channels for Uranium Separation from Seawater Wenbin Liang, Xin Zhang, Liqin Wang, Chuanxi Wen, Longlong Tian*（田龙龙，兰州大学）, Zhan Li*（李湛，兰州大学）, Ximeng Chen, Wangsuo Wu Chem. Sci., 2024
https://doi.org/10.1039/D4SC02801E
作者简介
本文第一作者，兰州大学博士研究生在读。主要研究方向为二维层状膜的设计合成及其层间选择性传质过程研究。
本文共同通讯作者，兰州大学青年研究员，博士生导师。主要从事放射性核素癌症诊疗的应用基础研究以及癌症放射治疗结合新兴的免疫治疗的应用基础研究。主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金青年项目、中央高校项目，在 J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Matter, CCS Chem., ACS Nano, Small和Sci. China Chem. 等国内外著名期刊发表三十多篇研究论文，授权 3 项具有临床转化潜力的药物专利。
本文共同通讯作者，兰州大学研究员，博士生导师。主要从事二维微纳通道中的限域传质过程与稀有同位素分离研究，针对镧锕离子、锂离子、氢同位素等重大战略元素，开展膜分离过程与高效膜分离技术的研发。在 Adv. Mater.，Chem. Sci., JACS Au, Nano Lett., Adv. Funct. Mater., Cell Rep. Phys. Sci., Anal. Chem. 等化学与材料类顶级期刊发表论文 103 篇，H-index 35，获得中国分析测试协会科学技术(CAIA)一等奖，兼任中国海洋学会海水淡化与水再利用分会青年委员。入选“西部之光”人才培养计划，甘肃省重点人才，中国科学院青年创新促进会等人才项目，青海省“昆仑英才-高端创新人才”，兰州市级人才。主持国家重点研发计划任务，国家自然科学基金面上、青年项目、教育部联合基金、甘肃省级重点项目。
期刊介绍
rsc.li/chemical-science
Chem. Sci.
| 2-年影响因子* | 7.6分 |
| 5-年影响因子* | 8.0分 |
| JCR 分区* | Q1 化学-综合 |
| CiteScore 分† | 14.4分 |
| 中位一审周期‡ | 34 天 |
Chemical Science 是涵盖化学科学各领域的跨学科综合性期刊，也是英国皇家化学会的旗舰期刊。所发表的论文不仅要在相应的领域内具有重大意义，而且还应能引起化学科学其它领域的读者的广泛兴趣。所发表的论文应包含重大进展、概念上的创新与进步或者是对领域发展的真知灼见。发文范围包括但不限于有机化学、无机化学、物理化学、材料科学、纳米科学、催化、化学生物学、分析化学、超分子化学、理论化学、计算化学、绿色化学、能源与环境化学等。作为一本钻石开放获取的期刊，读者可以免费获取所发表论文的全文，同时从该刊的论文版面费由英国皇家化学会承担，论文作者无需付费。
Andrew Cooper
🇬🇧 利物浦大学
Associate editors
|
|
† CiteScore 2023 by Elsevier
‡ 中位数，仅统计进入同行评审阶段的稿件
📧 RSCChina@rsc.org
↓↓↓
