新型石墨烯膜高效分離鹽湖中的鋰、鉀、鎂

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近日，蘭州大學教育部稀有同位素前沿科學中心教授陳熙萌、研究員李湛團隊在《納米快報》上發表題為“渦流剪切力場制備具有牛頓環結構的超平氧化石墨烯膜用于離子篩分”的成果，通過研究氧化石墨烯納米片在渦旋剪切力場中的結構組成的動態變化過程，發展出一種超級簡單的渦旋力場拉伸堆積成膜策略，制備出高選擇性、低能耗的超平層間結構的渦旋氧化石墨烯膜，實現了實驗室階段鹽湖中鋰、鉀、鎂等離子的選擇性高效分離。

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渦旋氧化石墨烯膜的形貌及分離性能。課題組供圖

我國是鹽湖資源大國，鹽湖中蘊含著大量當今技術領域所需的關鍵元素，主要以“鉀、鋰、鎂”等為代表，被視為與稀土具有同等戰略地位的重要資源。傳統的膜分離技術很難用于鹽湖鹵水中堿土金屬離子的選擇性分離，因此有必要發展一類更為簡單、高效、經濟環保的膜分離技術，促進我國鹽湖鹵水資源高質化利用。

渦旋結構在宇宙中非常常見，但其背后各種神奇的性質與結構仍不被人們所理解，其中最為神奇的是渦旋力場對其周圍物質結構與運動規律的影響。研究人員通過簡單的機械攪拌的方式，對氧化石墨烯溶液施加渦流力場，制備出層間結構可調的超平渦旋氧化石墨烯膜，并使用該膜實現了鹽湖鹵水中單價離子與二價鎂離子的高選擇性篩分。

研究發現，氧化石墨烯納米片在渦旋剪切力場中，其邊緣位置受到不同大小和方向剪切力的拉扯，該作用不但消除了石墨烯表面存在的大量褶皺，而且促使表面褶皺間脂基的水解，變成羧基和羥基，進而大幅提高石墨烯表面的含氧量。拉平的氧化石墨烯片在渦旋力場的作用下，通過π-π共軛作用，層層堆疊，最終形成一種具有彩色牛頓干涉環的超平氧化石墨烯膜。

經過大量實驗驗證，機械攪拌轉速增大，渦流剪切力作用增強，增加了含氧基團的數量，同時渦旋氧化石墨烯膜的平整度大幅增加，層間距逐漸減小，層間結構的穩定性顯著提高，水通過超平整層間通道的阻力大幅降低，有效水通量增加約三倍。在等濃度離子分離實驗中對于鉀離子/鎂離子分離因子約為57.92，之后將該膜應用在真實鹽湖水的離子分離中，該膜對真實鹽水中的鋰離子/鎂離子、鈉離子/鎂離子和鉀離子/鎂離子表現出優異的堿金屬與堿土金屬離子篩分效果，分離因子分別達到約68.02、84.26和379.17，具有高度的工業應用前景。

該研究為層間結構可控的二維膜的設計與構筑提供了新策略，為解決氧化石墨烯膜在水中易膨脹問題提供了新思路，并為鹽湖鹵水中戰略元素的分離提取研究提供了新方向。