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我国拥有众多的盐湖、海水等卤水资源，而这些卤水中含有可观的铀、锂等战略元素，对这些资源的高效开发不仅能提高关键原材料的自给率，更对国家战略安全具有重要意义。然而，传统提取技术因其成本高、能耗大、污染严重等问题面临巨大挑战，亟待技术革新。与此相比，膜分离技术凭借其高选择性、低环境影响和低能耗等优势，成为解决上述问题的潜在方案。
膜分离技术的核心在于分离膜的研发。然而，传统分离膜主要依靠孔径筛分，难以实现尺寸相近的水合离子分离。作为一种新兴的分离膜，二维膜因其可控的层间距与易于功能化的单原子单元，在离子与分子分离领域中具有巨大的应用潜力。然而，二维膜的层间传质空间过于狭小（亚纳米级），实现亚纳米级孔道精确控制以及功能化修饰依然面临着巨大的挑战。基于以上背景，兰州大学教育部稀有同位素前沿科学中心的陈熙萌教授和李湛研究员团队，提出了一系列二维膜传质通道尺寸调控及功能化修饰策略，并在复杂卤水体系中铀与锂的精确识别与高效分离领域取得了重要进展。这些成果不仅为铀、锂战略资源的提取提供了新的技术，也推动了全球能源安全和环境可持续性发展。研究团队通过将超级铀酰结合蛋白（SUP）改造的大肠杆菌插入二维（2D）MXene（Ti3C2TX）层中，通过压力趋势的自组装过程，开发了一种“类书本结构”的二维多功能复合膜，实现了海水中铀酰离子的精确识别与高效分离。SUP赋予生物无机杂化膜对铀酰离子超高的选择性，而工程化的大肠杆菌则提高了膜的机械强度和经济性。实验结果表明，该膜实现了铀酰离子的精确识别和优异的离子筛选性能（SFU/V≈ 43，SFNa/U≈ 158）。优异的分离性能和循环稳定性测试证明了该膜的工业应用潜力。这项研究成果已于2024年11月在美国化学会著名期刊Nano Letters上发表，题为“Layered Bio-Inorganic MXene Membranes: A Green Approach for Uranium Extraction from Seawater Using Genetically Modified E. coli”。硕士研究生毛骁楠为论文第一作者，兰州大学稀有同位素前沿科学中心李湛研究员与田龙龙青年研究员为论文共同通讯作者。![]()
研究团队利用金属间的协同效应在氧化石墨烯层间开发一种新型的双金属有机框架（MOF）/石墨烯氧化物（GO）复合膜。即在室温条件下将2-甲基咪唑引入氧化石墨烯层间，接着Zn2+和Co2+被氧化石墨烯纳米片捕获，并与咪唑配体形成强配位键，实现ZIF-8和ZIF-67在氧化石墨烯层间的原位合成。该工作主要阐明了二维亚纳米空间内通过离子交换策略合成横向异制通道的新策略并用于真实盐湖提锂，其对锂镁的分离因子可达191。这一创新的膜材料不仅增强了锂的提取能力，还克服了现有技术的诸多不足，为盐湖锂资源的可持续提取提供了锌的解决方案。这项研究成果以“2D Membranes Interlayered with Bimetallic Metal-Organic Frameworks for Lithium Separation from Brines”为题发表在美国化学会期刊Nano Letters上。兰州大学和中国科学院青海盐湖所联合培养的硕士研究生袁芙蓉为论文第一作者，青海盐湖所的彭姣玉副研究员和兰州大学稀有同位素前沿科学中心的李湛研究员为共同通讯作者。![]()
此外，研究团队还设计了一种多孔ZnFe2O4/ZnO纳米片，并将其嵌入Ag+调控的亚纳米层间通道中，形成了独特的二维异质通道结构。在这个通道内，氧原子带有负电荷，与高电荷密度的镁离子发生强相互作用，从而精准“锁定”镁离子，而锂离子则能够快速通过。这一机制与传统的表面电荷排斥机制不同，后者仅依赖于膜表面的电荷排斥效应，而电荷锁定机制则通过在层间结构内实现精准的离子捕捉，具有更高的选择性。该研究成果以“Fine‐Tuning 2D Heterogeneous Channels for Charge‐Lock Enhanced Lithium Separation from Brine”为题，发表在《Advanced Science》上。博士研究生郝亚新为论文的第一作者，兰州大学稀有同位素前沿科学中心李湛研究员为论文的通讯作者。![]()
陈熙萌教授和吴王锁教授为以上工作提供了重要改进意见。上述工作由兰州大学稀有同位素前沿科学中心主导完成，中国科学院青海盐湖研究所，青海民族大学为该工作提供了大力支持。上述研究工作得到了国家重点研发计划，国家自然科学基金委项目、兰州大学中央高校基本科研业务费交叉团队项目等的资助。《Nano Letters》: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c04709
《Nano Letters》: https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.4c04040
《Advanced Science》: https://doi.org/10.1002/advs.202406535
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