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膜分離技術的核心在于分離膜的研發。然而，傳統分離膜主要依靠孔徑篩分，難以實現尺寸相近的水合離子分離。作為一種新興的分離膜，二維膜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小（亞納米級），實現亞納米級孔道精確控制以及功能化修飾依然面臨著巨大的挑戰。

基于以上背景，蘭州大學教育部稀有同位素前沿科學中心的陳熙萌教授和李湛研究員團隊，提出了一系列二維膜傳質通道尺寸調控及功能化修飾策略，并在復雜鹵水體系中鈾與鋰的精確識別與高效分離領域取得了重要進展。這些成果不僅為鈾、鋰戰略資源的提取提供了新的技術，也推動了全球能源安全和環境可持續性發展。

1.二維生物工程膜助力海水提鈾新進展：

研究團隊通過將超級鈾酰結合蛋白（SUP）改造的大腸桿菌插入二維（2D）MXene（Ti3C2TX）層中，通過壓力趨勢的自組裝過程，開發了一種“類書本結構”的二維多功能復合膜，實現了海水中鈾酰離子的精確識別與高效分離。SUP賦予生物無機雜化膜對鈾酰離子超高的選擇性，而工程化的大腸桿菌則提高了膜的機械強度和經濟性。實驗結果表明，該膜實現了鈾酰離子的精確識別和優異的離子篩選性能（SFU/V≈ 43，SFNa/U≈ 158）。優異的分離性能和循環穩定性測試證明了該膜的工業應用潛力。這項研究成果已于2024年11月在美國化學會著名期刊Nano Letters上發表，題為“Layered Bio-Inorganic MXene Membranes: A Green Approach for Uranium Extraction from Seawater Using Genetically Modified E. coli”。碩士研究生毛驍楠為論文第一作者，蘭州大學稀有同位素前沿科學中心李湛研究員與田龍龍青年研究員為論文共同通訊作者。

2.二維多功能復合膜助力鹽湖提鋰新技術：

研究團隊利用金屬間的協同效應在氧化石墨烯層間開發一種新型的雙金屬有機框架（MOF）/石墨烯氧化物（GO）復合膜。即在室溫條件下將2-甲基咪唑引入氧化石墨烯層間，接著Zn2+和Co2+被氧化石墨烯納米片捕獲，并與咪唑配體形成強配位鍵，實現ZIF-8和ZIF-67在氧化石墨烯層間的原位合成。該工作主要闡明了二維亞納米空間內通過離子交換策略合成橫向異制通道的新策略并用于真實鹽湖提鋰，其對鋰鎂的分離因子可達191。這一創新的膜材料不僅增強了鋰的提取能力，還克服了現有技術的諸多不足，為鹽湖鋰資源的可持續提取提供了鋅的解決方案。這項研究成果以“2D Membranes Interlayered with Bimetallic Metal-Organic Frameworks for Lithium Separation from Brines”為題發表在美國化學會期刊Nano Letters上。蘭州大學和中國科學院青海鹽湖所聯合培養的碩士研究生袁芙蓉為論文第一作者，青海鹽湖所的彭姣玉副研究員和蘭州大學稀有同位素前沿科學中心的李湛研究員為共同通訊作者。

此外，研究團隊還設計了一種多孔ZnFe2O4/ZnO納米片，并將其嵌入Ag+調控的亞納米層間通道中，形成了獨特的二維異質通道結構。在這個通道內，氧原子帶有負電荷，與高電荷密度的鎂離子發生強相互作用，從而精準“鎖定”鎂離子，而鋰離子則能夠快速通過。這一機制與傳統的表面電荷排斥機制不同，后者僅依賴于膜表面的電荷排斥效應，而電荷鎖定機制則通過在層間結構內實現精準的離子捕捉，具有更高的選擇性。該研究成果以“Fine‐Tuning 2D Heterogeneous Channels for Charge‐Lock Enhanced Lithium Separation from Brine”為題，發表在《Advanced Science》上。博士研究生郝亞新為論文的第一作者，蘭州大學稀有同位素前沿科學中心李湛研究員為論文的通訊作者。

陳熙萌教授和吳王鎖教授為以上工作提供了重要改進意見。上述工作由蘭州大學稀有同位素前沿科學中心主導完成，中國科學院青海鹽湖研究所，青海民族大學為該工作提供了大力支持。上述研究工作得到了國家重點研發計劃，國家自然科學基金委項目、蘭州大學中央高校基本科研業務費交叉團隊項目等的資助。

【文章鏈接】

《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