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蘭州大學(xué)陳熙萌、李湛 AM：跨越科技與自然的鴻溝——二維仿生膜為海水鈾提取帶來(lái)曙光

發(fā)布時(shí)間：

2025-03-21

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在現代社會(huì )，水資源凈化、離子分離、能源儲存與環(huán)境保護等領(lǐng)域正面臨著(zhù)前所未有的挑戰，而膜技術(shù)因其高效、精準的分離特性，成為解決這些問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)。

然而，如何設計具備高選擇性、長(cháng)效穩定性的多功能膜，依然是全球膜技術(shù)發(fā)展的瓶頸之一。最近，蘭州大學(xué)稀有同位素前沿科學(xué)中心的陳熙萌、李湛研究團隊在這一領(lǐng)域取得了革命性的突破，提出了一種基于電荷組裝與氫鍵作用的二維仿生膜技術(shù)。這項創(chuàng )新技術(shù)不僅在精確離子分離方面表現出色，尤其在鈾提取領(lǐng)域展現了巨大的潛力，推動(dòng)了膜技術(shù)應用的前沿發(fā)展。

研究背景

膜技術(shù)作為一種高效的分離方法，在水處理、能源回收及環(huán)境保護等領(lǐng)域取得了廣泛應用。尤其是在海水淡化、廢水處理、鈾提取等任務(wù)中，膜材料的選擇性分離能力至關(guān)重要。近年來(lái)，二維材料，如氧化石墨烯（GO），因其極高的表面積、可調節的孔隙結構及優(yōu)異的機械性能，成為膜材料研究的焦點(diǎn)。然而，GO 膜的層間相互作用主要依賴(lài)范德華力和 π-π 堆積，導致其在高壓或長(cháng)時(shí)間使用下容易出現結構破損，制約了其在實(shí)際應用中的可行性。

為了克服這些限制，研究人員嘗試通過(guò)與生物材料的結合來(lái)增強膜的機械強度和穩定性。尤其是在膜材料中引入細菌等生物材料時(shí)，由于其結構的柔性和功能的多樣性，如何保持膜層的有序堆疊成為一個(gè)巨大的挑戰。受植物細胞壁在壓力下重組為更強、更致密結構的自然啟發(fā)，研究人員發(fā)現，通過(guò)施加外部壓力，可以壓縮并重組柔性三維生物材料，使其與 GO 層緊密結合，從而顯著(zhù)提高膜的穩定性和機械性能。

研究突破

蘭州大學(xué)的研究團隊在這一領(lǐng)域提出了一個(gè)創(chuàng )新且簡(jiǎn)便的策略。通過(guò)利用 GO 與工程細菌之間的電荷排斥作用，研究人員成功誘導液晶結構的形成，并在聚醚砜膜表面實(shí)現了逐層自組裝。這種二維仿生膜通過(guò)施加層間壓力將細菌壓平，去除層間水分，最終形成致密結構。這種壓縮效應不僅減少了功能基團之間的距離，還通過(guò)氫鍵作用構建了一個(gè)強大的氫鍵網(wǎng)絡(luò )，大幅度提升了膜的機械性能（拉伸強度提高了 12.42 倍）。更重要的是，壓縮過(guò)程保持了細菌表面超鈾結合蛋白（SUP）的活性，使其能夠選擇性地與鈾酸根離子（UO2²+）結合，實(shí)現了對鈾離子的高效篩選與捕獲。

研究?jì)r(jià)值與意義

這一突破性的研究成果為海水中的鈾提取提供了高效、可持續的技術(shù)路徑。隨著(zhù)核能產(chǎn)業(yè)對鈾的需求日益增加，基于 SUP 的復合膜不僅能高效回收海水中的鈾資源，還為其他離子分離和資源提取提供了新的思路。此外，這項技術(shù)還具有廣泛的應用前景，不僅能夠應用于海水提鈾，還可以用于水處理、廢水回收、能源回收等領(lǐng)域，幫助解決資源短缺、能源危機和環(huán)境污染等全球性問(wèn)題。隨著(zhù)技術(shù)的不斷優(yōu)化和工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，這種二維仿生膜技術(shù)有望在多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應用，并推動(dòng)膜技術(shù)朝著(zhù)更加智能化和高效化的方向發(fā)展。

結語(yǔ)

蘭州大學(xué)的研究團隊通過(guò)這項突破性研究，不僅為膜技術(shù)的發(fā)展開(kāi)辟了新的方向，也為能源、環(huán)境保護及資源回收領(lǐng)域提供了創(chuàng )新的解決方案。隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)一步完善和推廣，二維仿生膜將在全球范圍內產(chǎn)生深遠的影響，為應對能源和環(huán)境挑戰提供強有力的支持。隨著(zhù)更多創(chuàng )新的涌現和跨學(xué)科的合作，未來(lái)二維仿生膜技術(shù)有望實(shí)現更廣泛的應用，并在全球可持續發(fā)展目標的實(shí)現過(guò)程中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

信息來(lái)源：高分子科學(xué)前沿