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稀土元素和鈾酰離子是現代科技和能源領域中不可或缺的戰略資源。稀土元素因其在電子產品、磁性材料、催化劑等方面的廣泛應用，被譽為“工業維生素”。鈾作為核能發電的關鍵燃料，其在清潔能源發展中的重要性不言而喻。然而，這些資源的高效提取和利用一直是全球科技和工業發展的瓶頸，尤其是在國際形勢復雜多變的背景下，我國在這些關鍵材料的獲取和利用上面臨著“卡脖子”問題。海水中蘊藏著豐富的鈾資源，但由于其濃度極低且存在大量競爭離子，從海水中高效提取鈾依然是一個巨大的技術挑戰。因此，開發高效、選擇性強且可持續的分離技術，對于稀土和鈾資源的高效利用具有重大意義，并直接關系到國家戰略資源安全和科技自主創新能力。

膜技術作為重要的分離手段，因其無相變、無添加劑、易于自動化、綠色環保等特點，已被廣泛應用于生物、醫學、化工、食品等領域。然而，作為一種傳質分離過程，構筑一種具有離子識別與篩分的類細胞離子通道的膜通道依然是一個巨大的挑戰。二維膜作為一種新興的分離材料，因其可控的層間距與易于功能化的單原子單元，在離子與分子分離領域中具有巨大的應用潛力。然而，二維膜的層間傳質空間過于狹?。▉喖{米級），在二維空間中進行精確的材料設計和化學合成，尤其是在實現亞納米級孔道精確控制方面，面臨著巨大的挑戰。

針對上述挑戰，近日蘭州大學陳熙萌教授和李湛研究員團隊通過開發一類全新結構與功能的工程化生物膜和異質結膜通道，展現出類細胞膜離子通道的優異性能，實現了復雜體系中稀土與鈾酰離子的精確識別與高效分離。這些突破性研究成果分別發表在材料與化學領域頂級期刊《先進材料》、《先進功能材料》和《化學科學》上。這些研究通過創新的二維（2D）異質結構通道和精準膜工程技術，不僅為復雜條件下戰略元素的高效分離提供了創新的技術路徑，也為未來相關技術的發展奠定了堅實基礎。

精確鈧篩分的生物膜工程

在《先進材料》上發表的一項研究中，蘭州大學團隊展示了通過工程化的大腸桿菌膜與石墨烯氧化物（GO）層疊構建的二維異質結構通道。這一設計實現了鈧離子（Sc3+）與其他稀土元素的高選擇性分離。研究結果表明，這種膜材料在Ce/Sc和La/Sc的分離因子（SF）分別達到約167和103，展現出其在鈧提取中的巨大潛力。論文被選為卷首插圖文章（Frontispiece）。

協同納米構筑提升稀土分離效率

發表在《先進功能材料》上的另一項研究解決了在二維亞納米空間中進行可控化學反應和精確材料構筑的問題。利用氧化石墨烯膜二維層間的限域共生反應，構筑出基于石墨烯/金屬有機框架材料/聚多巴胺的垂直異質結二維篩分通道。該膜在分離過程中，部分脫水的小尺寸水合鑭系離子優先進入膜的層間空間，與異質結中的二維聚多巴胺配位，擴大并固定層間空間，以便抑制較大尺度的水合鈧離子滲入。而進入層間通道的一些鈧離子則被與其尺寸匹配的金屬有機框架材料(ZIF-8)孔中的氮元素吸引并捕獲，進一步抑制其層間傳輸。通過這種獨特的篩分機制，實現了鈧與其他稀土元素的選擇性篩分。該膜在分離稀土元素鈧（Sc3+）與鑭系元素方面表現出色，分離因子高達68.73，為稀土元素高效分離提供了新的技術路徑。

二維層狀膜用于海水提鈾

發表在英國皇家學會（RCS）旗艦刊《化學科學》上的文章，重點研究了二維層狀膜在海水提鈾中的應用。通過在GO膜中嵌入具有特異性識別鈾酰離子（UO22+）的DNA片段，研究人員成功構建了仿生二維通道，實現了高效的鈾分離。實驗結果顯示，這種膜在真實海水中對鈾酰離子的拒絕率接近100%，且在10個循環后依然保持良好的選擇性，鈾/釩的分離因子達到了14.66。這不僅展示了GO膜在鈾分離中的優異性能，也揭示了二維膜設計在化學工程中的廣泛應用潛力研究結果表明，基于GO的膜材料具有卓越的傳質能力，可廣泛應用于從海水中提取鈾。

這一系列研究不僅在稀土和鈾酰離子分離技術領域取得了重要突破，也為高科技產業和綠色能源的發展提供了堅實的技術支撐。隨著這些研究的進一步推進，稀土和鈾酰離子的高效分離和純化將為高科技和工業應用帶來更廣闊的前景。

蘭州大學稀有同位素前沿科學中心為第一單位和唯一通訊單位。梁晶博士為《先進材料》論文的第一作者，陳熙萌教授、李湛研究員和青年研究員田龍龍為共同通訊作者。碩士生呂紫霄為《先進功能材料》論文的第一作者，李湛研究員與錢麗娟副教授為共同通訊作者。博士生梁文彬為《化學科學》論文的第一作者，李湛研究員與田龍龍青年研究員為共同通訊作者。陳熙萌教授和吳王鎖教授對系列工作提供了大量的指導與支持。系列研究工作受到國家重點研發計劃（稀土新材料）專項、國家自然科學基金、甘肅省重點人才項目、蘭州大學中央高?；究蒲袠I務費、蘭州市青年人才項目資助。

文章鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202404629

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202409274

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/sc/d4sc02801e