文章导读
镧系元素或稀土元素（REEs）在电子、可再生能源、制造业、医学和科技等领域中起着至关重要的作用。这些元素凭借其独特的4f电子构型，展现出多功能的化学、磁性、磷光和催化等特性。然而，由于镧系元素在物理化学性质上的相似性，以及“镧系收缩”现象，使得对这些离子的分离极具挑战性。传统的溶剂萃取和离子交换方法虽然常用于镧系元素的分离，但它们存在分离效率低下、能耗高及对环境有污染等问题。
近期，美国西北大学熊琴思博士与芝加哥大学Chong Liu教授、美国西北大学George C. Schatz教授在International Journal of Smart and Nano Materials上发表了题为“Effects of interlayer spacing and applied pressure on the lanthanide transport in MoS2-based two-dimensional channels” 的论文。该工作聚焦于MoS2基二维通道，通过分子动力学模拟，研究了不同层间距和外加压力对镧系离子传输的影响，揭示了热力学和动力学因素如何协同作用以影响离子在二维通道中的传输。该研究提供了调控二维纳米通道结构和功能化以实现高效稀土元素分离的理论依据，具有潜在的工业应用价值，为实现更环保、更高效的稀土分离技术提供了新的思路。
文章内容
图1. 用于研究镧系元素通过2D MoS2-COOH通道传输的模拟模型
在作者此前的研究工作（Science Advances 10 (11), eadh1330）中，作者基于12-6-4全原子力场设计了一个非平衡模型，研究了MoS2-COOH膜中稀土元素的传输行为，并观察到与实验结果一致的火山形曲线，其中Sm3+表现出最显著的渗透性。然而，热力学和动力学因素在二维限域中对离子传输的具体贡献仍不清楚。
在本研究中，作者深入分析了离子配对、脱水效应及离子与膜相互作用对镧系元素传输性能的影响。结果表明，镧系离子的传输受脱水过程和离子-膜相互作用的共同驱动，两者密切相关。特别是，离子在进入和穿过通道时的脱水能力对其火山形传输行为起到了关键作用（图2）。此外，作者还探讨了层间距和外加压力对离子传输的影响。研究发现，增大层间距会改变离子的脱水行为和结合模式，进而影响其分离趋势（图3）；而外加压力主要影响传输的动力学过程，对选择性影响较小（图4）。
图2. MoS2-COOH通道中不同镧系离子的传输趋势、脱水行为及离子与膜的作用
图3. 不同层间距对镧系离子和水分子传输性能的影响。此图包括不同间距下的离子和水分子的流量、通道中水的密度分布以及离子脱水行为和结合模式的变化
图4. 不同外加压力下镧系离子和水分子的传输结果。图中包括了压力变化对离子和水流量的影响、水密度分布以及离子在通道中脱水行为的协调数变化。
美国西北大学熊琴思博士为本文第一作者，熊琴思博士和George C. Schatz教授为共同通讯作者。
课题组简介
熊琴思博士，美国西北大学George C. Schatz 课题组博后。2014获得北京化工大学学士学位，2019年在北京大学获得博士学位，之后在美国西北大学做博士后。主要从事软物质的多尺度分子模拟研究工作，致力于借助多尺度计算模拟手段探索多肽自组装机制、软物质材料的刺激响应性原理和原子尺度限域空间内输运机制。近五年来，以第一作者在本领域权威期刊J. Am. Chem. Soc., Sci. Adv., ACS Nano, J. Phys. Chem. Lett. 等发表高水平论文十余篇。
George C. Schatz教授，美国科学院院士，美国西北大学教授。1971年获克拉克森大学化学学士学位，1976年在加州理工学院获博士学位，随后在麻省理工学院从事博士后研究，并于1976年加入西北大学化学系。曾任Journal of Physical Chemistry主编（2005-2019）。Schatz教授出版了三本书籍，发表了超过1000篇学术论文，被评为“2000-2010年全球最具影响力的100位化学家”之一，自2014年起入选汤森路透高被引科学家。Schatz教授是美国物理学会、英国皇家化学会、美国化学学会及美国科学促进会的会士。荣获奖项包括斯隆和德雷福斯奖学金、费森尤斯奖、马克斯普朗克研究奖、伯克奖章、Ver Steeg奖学金、费曼奖、Herschbach奖章、Debye奖、Langmuir奖、S F Boys-A Rahman奖、Hirschfelder奖、Mulliken奖章及Ahmed Zewail奖等。
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引用：
Xiong, Q., Liu, C., & Schatz, G. C. (2024). Effects of interlayer spacing and applied pressure on the lanthanide transport in MoS2-based two-dimensional channels. International Journal of Smart and Nano Materials, 15(3), 579–592. https://doi.org/10.1080/19475411.2024.2387926
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期刊介绍
International Journal of Smart and Nano Materials
名誉主编：
杜善义 院士，哈尔滨工业大学
Ken P. Chong 教授，华盛顿大学
主编：
冷劲松 院士，哈尔滨工业大学
International Journal of Smart and Nano Materials是哈尔滨工业大学和Taylor & Francis集团合作出版的开放获取英文期刊，拥有由知名学者组成的国际化编委团队。IJSNM 被Science Citation Index数据库收录，2023年影响因子为4.5。
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