锂作为一种不可再生的战略资源，在国防工业、新能源产业、先进制造等领域具有重要的地位。我国在锂资源方面的对外依存度较高，大力开发国内锂资源，实现锂资源的自我供给具有重要意义。目前，我国的锂资源主要存在于盐湖卤水中，西北地区是盐湖的主要分布地区。发展一种全新的卤水提锂方法，实现盐湖卤水中锂资源的高效提取，有利于保障我国锂资源供应、促进区域经济社会发展。

传统盐湖提锂技术存在二次污染、成本高、回收率低、选择性差等问题。氧化石墨烯膜作为一种新兴的二维膜分离材料，其可控的层间结构与超高的水通量，在海水淡化、污水处理以及分离分析领域具有广阔的应用前景；然而其易于肿胀、变形、失效的二维层间通道，限制了其在真实环境中多离子之间的选择性、快速、高效分离，是影响应用的瓶颈难点。

近日，兰州大学教育部稀有同位素前沿科学中心陈熙萌教授、李湛研究员团队在盐湖卤水战略元素膜分离研究领域取得了系列新进展。

首先，研究团队通过研究氧化石墨烯纳米片在涡旋剪切力场中结构组成的动态变化过程，发展出一种更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，实现了青海茶卡盐湖中锂、钾、镁等离子的选择性高效分离。2023年10月以Ultraflat Graphene Oxide Membranes with Newton-Ring Prepared by Vortex Shear Field for Ion Sieving（Nano Lett. 2023, 23, 20, 9641–9650）为题被美国化学会期刊Nano Letters以封面文章报道。

随后，研究团队通过在氧化石墨烯膜的二维夹层中通过单离子诱导合成策略原位限域合成出二维金属有机框架材料和二维海藻酸钠纳米带，进而构建出一种全新结构的二维三元异质结膜。该类二维异质结通道可允许小尺寸水合离子的快速通过，同时阻止了较大尺寸水合离子在二维膜层间的快速传输，进而实现了混合体系中多离子之间的超高选择性尺寸筛分，锂钾、钠钾以及锂镁分离因子分别达到20.9、31.2和9.5，具有较高的工业化应用前景。金属有机框架材料/石墨烯异质结构的存在显着提高了膜分离选择性，而聚合物/石墨烯异质结构的存在改善了膜机械强度和稳定性，进而大幅改善了膜的实际应用潜力。该技术实现了二维膜材料对于复杂体系中多离子之间的筛分，并阐明了多种离子在二维层间的尺寸限域筛分机理，不但为先进二维膜材料的设计与构筑提供了新思路，也为复杂体系中相似物质之间的高效分离提取提供了一种新技术，同时为盐湖卤水中锂离子的分离提取开辟了一条新路线。相关研究工作以“Ternary Heterostructure Membranes with Two-Dimensional Tunable Channels for Highly Selective Ion Separation”为题发表在美国化学会旗舰期刊《美国化学会志•金》（JACS Au）上，并被选为封面文章。

论文第一作者为硕士研究生刘慧玲和张鑫副教授，论文通讯作者为李湛研究员与钱丽娟副教授，兰州大学教育部稀有同位素前沿科学中心为论文的第一单位和唯一通讯单位。陈熙萌教授为该工作提供了设计思路，吴王锁教授为该工作提供了重要改进意见。

上述研究工作得到了国家自然科学基金委项目、兰州大学中央高校基本科研业务费交叉团队项目等的资助。

文献链接：

《Nano Letters》https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c02613

《JACS Au》https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacsau.3c00473

内容来源 | 兰州大学核科学与技术学院

编辑 | 温彩霞

责任编辑 | 彭倩