稀土元素，作为重要的战略材料，因其性质相似、尺寸相近，且工业生产对单一稀土元素需求纯度高，亟需发展一种简单、快速、高效的稀土分离技术。膜分离技术作为一种新兴高效分离技术，广泛应用于在海水淡化、污水处理、药物分离、血液透析等诸多领域，然而发展一种稀土元素尤其是镧系元素的高效膜分离技术挑战极大。氧化石墨烯膜，因其具有优异性质与独特结构，在膜分离技术研究中极具潜力。科研人员已设计出系列结构独特和性能优异的多孔石墨烯功能材料，并将其成功用于钠钾分子、稀土离子、对映体分子之间的选择性高效膜分离研究中（Anal. Chem. 2016, 88, 10002-10010；Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1805026；iScience 2021, 24, 101920；Anal. Chem. 2020, 92, 13630-13633；Anal. Chem. 2021, 93, 1732-1739；Anal. Chem. 2021, 93, 16175-16183），这些工作为高效稀土膜分离技术的发展提供了参考。

图1 石墨烯层间2D MOF稳定性证明

    近日，兰州大学稀有同位素前沿科学中心陈熙萌、李湛研究团队在镧系元素分离膜制备及应用研究方面取得重要进展。研究人员设计了一种全新的氧化石墨烯（GO）/金属有机骨架（MOF）二维垂直异质结膜，该膜在稀土分离中表现出高渗透率、高选择性、高稳定性的特点。模拟计算表明，二甲基咪唑和硝酸锌能够在氧化石墨烯二维层间缓慢生长为理论上不能单独稳定存在的类ZIF-8[002]晶面二维MOF晶体（图1C-D）。随后，研究人员用甲醇做晶体生长抑制剂去溶解二甲基咪唑和硝酸锌，进而成功将该混合溶液载入氧化石墨烯层间；随着甲醇挥发，二甲基咪唑和硝酸锌逐渐成核，进而原位合成出一种层间稳定的类ZIF-8[002]晶面的二维MOF /GO垂直异质结分离膜。随后，将其成功用于稀土离子的选择性渗透分离，并表现出非常优异镧系元素的分离效果，La/Y和La/Ce分离因子分别达到55.79和6.02，且分离性能经过多次循环实验而不衰减，证明该膜具有高度工业化应用潜力。

图2  2D MOF/GO的形貌表征

图3 2D MOF/GO稀土分离机理与性能评价

    该研究工作所提出的二维层间溶剂限域挥发结晶生长策略，成功的将理论上无法稳定存在的二维MOF晶体原位合成于二维石墨烯层间，进而解决了二维MOF和氧化石墨烯难以原位插层成膜的问题；此外，二维MOF的插层扩大并固定了氧化石墨烯的层间距，不但克服了氧化石墨烯膜的溶胀问题，也提高了膜的渗透性能；氧化石墨烯对于二维MOF的夹心包覆，不但改善了MOF晶体结构的热稳定性，也提升了膜的机械性能和酸碱稳定性，进而拓展了实际应用范围；同时，层间二维MOF表面丰富的多孔结构进一步提升了稀土离子的选择性层间渗透性能。因此该技术不仅突破了膜分离技术难以用于相邻镧系元素之间分离的技术瓶颈，也为高渗透性、高稳定性、高选择性的稀土分离膜的设计与合成提供了新思路和新方法。

    这一原创性工作及其相关成果以2D Vertical Heterostructure Membranes for Lanthanide Separation为题发表于著名期刊Cell旗下物质科学子刊《Cell Reports Physical Science》。该论文由博士生梁晶、张鑫副教授、李湛研究员和陈熙萌教授合作完成。

    期刊介绍：《Cell Reports Physical Science》是Cell Press出版集团新近推出的高影响力综合期刊，旨在报道物理、化学、材料科学、能源科学、工程以及交叉学科领域中的重大研究进展。

    论文链接：https://www.cell.com/cell-reports-physical-science/fulltext/S2666-3864(22)00036-4

    X-MOL新闻链接：https://www.x-mol.com/news/747668