納米級(jí)“火山口狀”多孔石墨烯/氧化石墨烯異質(zhì)結(jié)膜成功實(shí)現(xiàn)了重水的高效提取 蘭州大學(xué)供圖

近日，蘭州大學(xué)稀有同位素前沿科學(xué)中心、核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授陳熙萌、研究員李湛團(tuán)隊(duì)通過(guò)開(kāi)發(fā)了一種具有全新結(jié)構(gòu)的氧化石墨烯/納孔石墨烯宏觀(guān)異質(zhì)結(jié)膜，將其成功用于天然水中氘水的簡(jiǎn)單、快速、高效膜分離，其分離性能遠(yuǎn)超現(xiàn)有技術(shù)，具有工業(yè)化應(yīng)用潛力。文章發(fā)表在國(guó)際期刊《先進(jìn)材料》，并入選編輯精選。

氘(D)作為氫的重要穩(wěn)定同位素，由其組成的水分子被稱(chēng)為重水(D2O)。重水是國(guó)防科技和核能工業(yè)的重要戰(zhàn)略物資，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)家安全中有著不可替代的作用。然而，傳統(tǒng)的重水生產(chǎn)工藝面臨生產(chǎn)成本高、效率低、分離條件苛刻、分離流程復(fù)雜、需要有毒有害氣體的引入等問(wèn)題，因此發(fā)展一種常溫常壓下簡(jiǎn)單、快速、高效的重水分離技術(shù)具有重要的理論意義和廣闊的應(yīng)用前景。此外在日益嚴(yán)峻的國(guó)際環(huán)境下，對(duì)進(jìn)口重水及國(guó)外技術(shù)的高度依賴(lài)已對(duì)我國(guó)造成了較大影響。

通過(guò)前期基于石墨烯材料的構(gòu)筑以及在分離分析應(yīng)用的探究，研究團(tuán)隊(duì)將一種具有“火山口狀”孔隙的多孔石墨烯(PG)納米片夾在兩層氧化石墨烯(GO)膜之間，制備出具有宏觀(guān)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的GO/PG/GO膜，并在常溫常壓下實(shí)現(xiàn)對(duì)重水的高選擇性篩分。其中，以具有豐富孔隙的石墨烯為篩分單元、GO膜為流量調(diào)節(jié)單元，利用GO的層間π-π相互作用力將具有豐富篩分位點(diǎn)的石墨烯在外壓的作用下合成一種穩(wěn)定的類(lèi)書(shū)本狀多層堆積膜，能夠有效調(diào)節(jié)溶液在膜層間的流動(dòng)速度，以便增加氘水分子與石墨烯層間選擇性作用位點(diǎn)接觸幾率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)氫氘水分子之間的選擇性高效分離。將該膜用于重水和水分離后，表現(xiàn)超高的分離因子，以及優(yōu)異的可逆性、超低能耗和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，分離能耗僅為3.6GJ/kg，綜合分離性能遠(yuǎn)超現(xiàn)有技術(shù)。課題組通過(guò)一系列機(jī)理探究實(shí)驗(yàn)及相關(guān)理論計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，GO/PG/GO膜優(yōu)異對(duì)于氫氘水的優(yōu)異分離性能主要源于石墨烯層間的限域核量子效應(yīng)和同位素交換等都多因素的耦合作用。此外，利用簡(jiǎn)單的分離設(shè)備僅通過(guò)一級(jí)分離就可以成功將天然水中的重水濃度從0.013%富集到0.059%。這種低能耗、綠色環(huán)保、簡(jiǎn)單快速的膜分離技術(shù)有效解決了氫同位素分離的技術(shù)瓶頸，為近些年來(lái)分離科學(xué)領(lǐng)域的突破性進(jìn)展。

該工作將負(fù)壓膜分離技術(shù)引入了同位素分離領(lǐng)域，擺脫了現(xiàn)有分離技術(shù)中必需的超低溫條件和復(fù)雜流程，無(wú)添加劑和危險(xiǎn)有害物質(zhì)的引入，極具工業(yè)化應(yīng)用潛力。此外該技術(shù)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，有利于解決重水生產(chǎn)中的“卡脖子”難題。該項(xiàng)目已經(jīng)申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利，并與華中科技大學(xué)、武漢迪特姆科技有限公司合作開(kāi)展醫(yī)用低氘水生產(chǎn)設(shè)備的研發(fā)，已取得初步的成果。