兰大陈熙萌/李湛团队《Adv. Mater.》：氧化石墨烯/纳孔石墨烯宏观异质结膜用于天然水中氘水的的选择性分离

同位素是指具有相同原子序数但质量数（或中子数）不同的核素。根据物理特性不同，同位素可分成放射性同位素和稳定性同位素。同位素的发现使人们对原子结构有了更深刻的认识，并且同位素在核能、核技术、医疗、农业等领域都有着无可替代的独特作用。其中，氘（D）作为氢的重要稳定同位素，由其组成的水分子被称为重水（D₂O）。D₂O不仅可以用于生产裂变核素，而且也是热核聚变的主要原料，同时氘在医疗和基础科研领域也有着广泛的应用，是国防科技和核能工业的重要战略物资。然而，传统的重水生产工艺面临生产成本高、效率低、分离条件苛刻、分离流程复杂、涉及毒有害气体引入等问题，因此发展一种常温常压下简单、快速、高效的重水分离技术具有重要的理论意义和巨大的应用价值。此外在日益严峻的国际环境下，对进口重水及国外技术的高度依赖已对我国的国防与民生造成了影响，我们亟需解决自主化高效生产重水的“卡脖子”难题，发展一种更为先进的、且具有自主知识产权的重水生产技术。

兰州大学稀有同位素前沿科学中心成立于2020年5月，是集聚学校核学、化学、物理等学科特色与优势，新成立的实体性研究机构。中心面向核科学前沿，瞄准稀有同位素高效安全利用领域重大科学问题，开展基础性、前瞻性、多学科交叉融合的创新研究。近日，兰州大学稀有同位素前沿科学中心的陈熙萌/李湛团队开发了一种具有全新结构的氧化石墨烯/纳孔石墨烯宏观异质结膜，将其成功用于天然水中氘水的简单、快速、高效膜分离，其分离性能远超现有技术，具有大规模工业化应用潜力。文章发表在国际顶级期刊《先进材料》（Advanced Materials），并入选编辑精选（Editor’s Choice）。

通过前期基于石墨烯材料的构筑以及在分离分析应用的探究（Anal. Chem. 2016, 88, 10002-10010；Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1805026；iScience 2021, 24, 101920；Anal. Chem. 2020, 92, 13630-13633；Anal. Chem. 2021, 93, 1732-1739；Anal. Chem. 2021, 93, 16175-16183；Cell Rep. Phys. Sci. 2022, 3, 100769.），研究团队将一种具有“火山口状”孔隙的多孔石墨烯（PG）纳米片夹在两层GO膜之间，制备出具有宏观异质结构的GO/PG/GO膜，并在常温常压下实现对D₂O的高选择性筛分。其中，以具有丰富孔隙的PG为筛分单元、GO膜为流量调节单元，利用GO的层间π-π相互作用力将具有丰富筛分位点的PG在外压的作用下合成一种稳定的类书本状多层堆积膜，能够有效调节溶液在膜层间的流动速度，以便增加氘水分子与PG层间选择性作用位点接触几率，进而实现氢氘水分子之间的选择性高效分离。将该膜用于D₂O和H₂O分离后，表现出超高的分离因子，以及优异的可逆性、超低能耗和长期稳定性，分离能耗仅为3.6 GJ/kg，综合分离性能远超现有技术。通过一系列机理探究实验及相关理论计算后发现，GO/PG/GO膜对于氢氘水的优异分离性能主要源于石墨烯层间的限域核量子效应和同位素交换等多因素的耦合作用。此外，利用简单的分离设备仅通过一级分离就可以成功将天然水中的D₂O浓度从0.013%富集到0.059%。因此，这种低能耗、绿色环保、简单快速的膜分离技术有效解决了氢同位素分离的技术瓶颈，为近些年来分离科学领域的重大突破性进展。

该工作将负压膜分离技术引入了同位素分离领域，摆脱了现有分离技术中必需的超低温条件和复杂流程，无添加剂和危险有害物质的引入，极具工业化应用潜力。此外该技术具有自主知识产权，其大规模应用必将打破国外对于我国氢同位素分离的技术封锁，解决重水生产中的重大“卡脖子”问题。该项目已经申请发明专利（202211002520.9），并与华中科技大学、武汉迪特姆科技有限公司合作开展医用低氘水的生产设备的研发，并已取得初步的成果。

兰州大学核科学与技术学院博士生梁晶/副教授张鑫为本工作共同第一作者，兰州大学稀有同位前沿科学中心李湛研究员/陈熙萌教授为通讯作者，研究工作得到了JWKJW基金、甘肃省JMRH发展基金与国家自然科学基金的联合支持。

论文信息

Macroscopic Heterostructure Membrane of Graphene Oxide /Porous Graphene/Graphene Oxide for Selective Separation of Deuterium Water from Natural Water

Jing Liang, Xin Zhang, Tian-qi Liu, Xu-dong Gao, Wen-bin Liang, Wei Qi, Li-juan Qian, Zhan Li, and Xi-meng Chen

Advanced Materials, 2022, 2206524. https://doi.org/10.1002/adma.202206524

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202206524

作者简介

张鑫，2018年在兰州大学获得理学博士学位（师从陈熙萌教授）；2018年至2021年在兰州大学从事博士后研究工作（合作导师吴王锁教授）；2022年1月留校任教，现为兰州大学核科学与技术学院副教授、硕士生导师。主要研究方向为新型同位素分离技术与轻元素同位素量子效应。获得国家自然科学基金委项目、JWKJW项目等五项。在Advanced Materials, Cell Reports Physical Science，ACS Applied Materials Interface等著名期刊发表SCI论文20余篇。

李湛研究员：兰州大学稀有同位素前沿科学中心研究员，博士生导师。主要针对战略性材料如碱土元素、镧系元素、锕系元素与氢同位素，发展出新颖而独特的石墨烯表面纳米孔的构筑策略与制备技术，发展出适合于碱土离子、稀土离子、锕系离子高效筛分的新型分离技术，推动膜分离技术在武器制造、稀土工业、核燃料后处理、重水生产等重大领域的发展。在Advanced Materials, Cell Reports Physical Science，Advanced Functional Materials、Analytical Chemistry（4篇）等著名期刊发表SCI论文90余篇。主持国家自然科学基金青年项目1项、面上项目2项、中央军委科技委国防创新项目1项，甘肃自然科学基金1项。入选中组部-中科院西部青年学者A类人才项目、中科院青年创新促进会、“西部之光”博士项目。申请发明专利6项，授权2项。

陈熙萌教授：兰州大学核科学与技术学院教授、博士导师。研究领域面向射线与物质相互作用研究。主持航天探月工程项目、军委装备发展部项目、军委科技委项目、973预研项目、国家自然科学基金项目等科研项目三十余项，以及国家级双万专业建设项目、省级精品课程项目、兰州大学精品在线视频课项目等教改项目5项，发表学术论文近180篇，其中被Nature Index认定的论文18篇。