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科技日?qǐng)?bào)記者頡滿斌

9月29日，記者從蘭州大學(xué)了解到，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)院陳熙萌/李湛團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種具有全新結(jié)構(gòu)的氧化石墨烯/納孔石墨烯宏觀異質(zhì)結(jié)膜，可簡(jiǎn)單、快速、高效地分離天然水中的氘水，分離性能遠(yuǎn)超現(xiàn)有技術(shù)，具有工業(yè)化應(yīng)用潛力，相關(guān)成果發(fā)表在國(guó)際期刊《先進(jìn)材料》，并入選編輯精選。

同位素是指具有相同原子序數(shù)但質(zhì)量數(shù)（或中子數(shù)）不同的核素。根據(jù)物理特性不同，同位素可分為放射性同位素和穩(wěn)定性同位素。同位素的發(fā)現(xiàn)使人們對(duì)原子結(jié)構(gòu)有了更深刻的認(rèn)識(shí)，并且同位素在核技術(shù)、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域中都有著無可替代的獨(dú)特作用。其中，氘（D）作為氫的重要穩(wěn)定同位素，由其組成的水分子被稱為重水（D2O）。D2O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。

通過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GO膜之間，制備出具有宏觀異質(zhì)結(jié)構(gòu)的GO/PG/GO膜，并在常溫常壓下實(shí)現(xiàn)對(duì)D2O的高選擇性篩分。將該膜用于D2O和H2O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)。

通過一系列機(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)和同位素交換等諸多因素的耦合作用。此外，利用簡(jiǎn)單的分離設(shè)備僅通過一級(jí)分離就可以成功將天然水中的D2O濃度從0.013%富集到0.059%。因此，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，是近些年來分離科學(xué)領(lǐng)域的突破性研究。

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。