我国是盐湖资源大国，盐湖数量众多。盐湖中蕴含着大量当今技术领域所需的关键元素，主要以“钾、锂、镁”等为代表，他们在高效农业、新能源新材料、电子通信、航空航天、国防军工、节能环保等产业中有着广泛的应用，被视为与稀土具有同等战略地位的重要资源，因此对于这些元素的分离具有重要意义。膜分离是高效无相变、绿色无污染的新型分离技术，但传统的膜分离技术很难用于盐湖卤水中碱土金属离子的选择性分离，因此有必要发展一类更为简单、高效、经济环保的膜分离技术，促进我国盐湖卤水资源高质化利用。
氧化石墨烯膜因其优异的物理和化学特性在分离分析领域具有重要的应用潜力。然而，氧化石墨烯表面存在大量含氧基团，从而在堆叠成膜的过程中产生大量褶皱，这些褶皱会干扰氧化石墨膜层间狭缝中的离子传质过程，从而降低其渗透性和选择性。因此，亟需发展一种全新的策略，通过消除GO表面的褶皱，同时构筑出具有超平层间结构的氧化石墨烯膜，进而解决二维膜选择性和渗透性之间的权衡问题，实现离子的高效快速分离。
涡旋结构在宇宙中非常常见，大如旋转的黑洞、涡旋星系、龙卷风以及江河湖海中常见的旋涡等，小如水盆中可轻松搅动形成的旋涡，但其背后各种神奇的性质与结构仍不被人们所理解，其中最为神奇的是涡旋力场对其周围物质结构与运动规律的影响。鉴于此，兰州大学教育部稀有同位素前沿科学中心陈熙萌、李湛团队通过研究氧化石墨烯纳米片在涡旋剪切力场中的结构组成的动态变化过程，发展出一种超级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，实现了实验室阶段盐湖中锂、钾、镁等离子的选择性高效分离。
相关研究成果以“涡流剪切力场制备具有牛顿环结构的超平氧化石墨烯膜用于离子筛分”（Ultraflat Graphene Oxide Membranes with Newton-Ring Prepared by Vortex Shear Field for Ion Sieving）为题发表在美国化学会（ACS）纳米科学技术领域国际知名期刊《纳米快报》（Nano Letters）上。
图1. 宇宙中常见的涡旋结构与超平涡旋氧化石墨烯膜制备示意图
研究人员通过简单的机械搅拌的方式，对氧化石墨烯溶液施加涡流力场，制备出层间结构可调的超平涡旋氧化石墨烯膜，并使用该膜实现了盐湖卤水中单价离子与二价镁离子的高选择性筛分。研究发现，氧化石墨烯纳米片在涡旋剪切力场中，其边缘位置受到不同大小和方向剪切力的拉扯，该作用不但消除了石墨烯表面存在的大量褶皱，而且促使表面褶皱间脂基的水解，变成羧基和羟基，进而大幅提高石墨烯表面的含氧量。拉平的氧化石墨烯片在涡旋力场的作用下，通过π-π共轭作用，层层堆叠，最终形成一种具有彩色牛顿干涉环的超平氧化石墨烯膜。经过大量实验验证，机械搅拌转速增大，涡流剪切力作用增强，增加了含氧基团的数量，同时涡旋氧化石墨烯膜的平整度大幅增加，层间距逐渐减小，层间结构的稳定性显著提高，水通过超平整层间通道的阻力大幅降低，有效水通量增加约三倍。在等浓度离子分离实验中对于K+/Mg2+分离因子约为57.92，之后将该膜应用在真实盐湖水的离子分离中，该膜对真实盐水中的Li+/Mg2+、Na+/Mg2+和K+/Mg2+表现出优异的碱金属与碱土金属离子筛分效果，分离因子分别达到约68.02、84.26和379.17，具有高度的工业应用前景。
图2 涡旋氧化石墨烯膜的形貌及分离性能
本研究为层间结构可控的二维膜的设计与构筑提供了新策略，为解决氧化石墨烯膜在水中易膨胀问题提供了新思路，并为盐湖卤水中战略元素的分离提取研究提供了新方向。兰州大学核科学与技术学院博士研究生刘天琦、副教授张鑫为本工作共同第一作者，兰州大学李湛研究员、陈熙萌教授为通讯作者。兰州大学教育部稀有同位素前沿科学中心为第一单位和唯一通讯单位。该工作得到了国家自然科学基金、兰州大学中央高校基本科研业务费等的支持。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/epdf/10.1021/acs.nanolett.3c02613
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