石墨烯 | 兰州大学研究人员在盐湖战略元素分离膜的设计与构筑中取得新进展

　　我国是盐湖资源大国，盐湖数量浩瀚。盐湖中蕴含着大量目前手艺范畴所需的要害元素，首要以“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..、节能环保等财富中有着普遍的应用，被视为与稀土具有一致计谋地位的主要资源，是以对于这些元素的星散具有主要意义。膜星散是高效无相变、绿色无污染的新型星散手艺，但传统的膜星散手艺很难用于盐湖卤水中碱土金属离子的选择性星散，是以有需要成长一类更为简洁、高效、经济环保的膜星散手艺，促进我国盐湖卤水资源高质化行使。

　　氧化石墨烯膜因其优异的物理和化学特征在星散剖析范畴具有主要的应用潜力。然而，氧化石墨烯外观存在大量含氧基团，从而在堆叠成膜的过程中发生大量褶皱，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。是以，亟需成长一种全新的策略，经由消弭GO外观的褶皱，同时修建出具有超平层间构造的氧化石墨烯膜，进而解决二维膜选择性和渗透性之间的衡量问题，实现离子的高效快速星散。

　　涡旋构造在宇宙中非经常见，大如扭转的黑洞、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，但其背后各类神奇的性质与构造仍不被人们所懂得，个中最为神奇的是涡旋力场对其四周物质构造与活动纪律的影响。鉴于此，兰州大学教育部罕见同位素前沿科学中心陈熙萌、李湛团队经由研究氧化石墨烯纳米片在涡旋剪切力场中的构造构成的动态转变过程，成长出一种超等简洁的涡旋力场拉伸聚积成膜策略，制备出高选择性、低能耗的超平层间构造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星散。

　　相关研究功效以“涡流剪切力场制备具有牛顿环构造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）为题揭橥在美国化学会（ACS）纳米科学手艺范畴国际知名期刊《纳米快报》（Nano Letters）上。

图1. 宇宙中常见的涡旋构造与超平涡旋氧化石墨烯膜制备示意图

　　研究人员经由简洁的机械搅拌的体式，对氧化石墨烯溶液施加涡流力场，制备出层间构造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，其边缘位置受到分歧巨细和偏向剪切力的拉扯，该感化不只消弭了石墨烯外观存在的大量褶皱，并且促使外观褶皱间脂基的水解，酿成羧基和羟基，进而大幅提高石墨烯外观的含氧量。拉平的氧化石墨烯片在涡旋力场的感化下，经由π-π共轭感化，层层堆叠，最终形成一种具有彩色牛顿过问环的超平氧化石墨烯膜。经由大量实验验证，机械搅拌转速增大，涡流剪切力感化增加，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，层间构造的不乱性显著提高，水经由超平整层间通道的阻力大幅降低，有效水通量增加约三倍。在等浓度离子星散实验中对于K+/Mg2+星散因子约为57.92，之后将该膜应用在真实盐湖水的离子星散中，该膜对真实盐水中的Li+/Mg2+、Na+/Mg2+和K+/Mg2+示意出优异的碱金属与碱土金属离子筛分结果，星散因子离别达到约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描写及星散机能

　　本研究为层间构造可控的二维膜的设计与修建供应了新策略，为解决氧化石墨烯膜在水中易膨胀问题供应了新思路，并为盐湖卤水中计谋元素的星散提取研究供应了新偏向。兰州大学核科学与手艺学院博士研究生刘天琦、副传授张鑫为本工作配合第一作者，兰州大学李湛研究员、陈熙萌传授为通信作者。兰州大学教育部罕见同位素前沿科学中心为第一单元单子和独一通信单元单子。该工作获得了国度天然科学基金、兰州大学中央高校根基科研买卖费等的支撑。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/epdf/10.1021/acs.nanolett.3c02613