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近日，兰州大学教育部稀有同位素前沿科学中心教授陈熙萌、研究员李湛团队在盐湖卤水战略元素膜分离研究领域取得系列新进展。相关研究工作发表在美国化学会旗舰期刊《美国化学会志·金》上，并被选为封面文章。这一新型的二维异质结复合膜的成功研发，为先进膜材料的构建和卤水战略元素的分离提供了坚实的理论与技术支持。
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相关研究入选《美国化学会志·金》封面文章。课题组供图
传统盐湖提锂技术存在二次污染、成本高、回收率低、选择性差等问题。氧化石墨烯膜作为一种新兴的二维膜分离材料，其可控的层间结构与超高的水通量，在海水淡化、污水处理以及分离分析领域具有广阔的应用前景。然而，其易于肿胀、变形、失效的二维层间通道，限制了其在真实环境中多离子之间的选择性、快速、高效分离，是影响应用的瓶颈难点。
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兰州大学自主研发系列二维膜。课题组供图
该团队成功设计出一种全新结构的二维异质结复合膜。这一膜利用膜层间的限域传输过程，成功实现了在真实盐湖环境中对锂及相关战略元素的分离提取。
研究团队通过在氧化石墨烯膜的二维夹层中通过单离子诱导合成策略原位限域合成出二维金属有机框架材料和二维海藻酸钠纳米带，进而构建出一种全新结构的二维三元异质结膜。该类二维异质结通道可允许小尺寸水合离子的快速通过，同时阻止了较大尺寸水合离子在二维膜层间的快速传输，进而实现了混合体系中多离子之间的超高选择性尺寸筛分，锂钾、钠钾以及锂镁分离因子分别达到20.9、31.2和9.5，具有较高的工业化应用前景。“金属有机框架材料/石墨烯异质结构的存在显着提高了膜分离选择性，而聚合物/石墨烯异质结构的存在改善了膜机械强度和稳定性，进而大幅改善了膜的实际应用潜力。”陈熙萌说。
李湛介绍，该技术实现了二维膜材料对于复杂体系中多离子之间的筛分，并阐明了多种离子在二维层间的尺寸限域筛分机理，不但为先进二维膜材料的设计与构筑提供了新思路，也为复杂体系中相似物质之间的高效分离提取提供了一种新技术，同时为盐湖卤水中锂离子的分离提取开辟了一条新路线。
此前，研究团队还通过研究氧化石墨烯纳米片在涡旋剪切力场中结构组成的动态变化过程，发展出一种更简单的涡旋力场拉伸堆积成膜策略，制备出高选择性、低能耗的超平层间结构的涡旋氧化石墨烯膜，实现了青海茶卡盐湖中锂、钾、镁等离子的选择性高效分离。该工作于2023年10月被美国化学会期刊《纳米快报》以封面文章报道。
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相关研究入选《纳米快报》封面文章。课题组供图
相关论文信息：
https://doi.org/10.1021/jacsau.3c00473
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