高分子科学前沿5月30日讯： 近日，兰州大学稀有同位素前沿科学中心陈熙萌、李湛团队在稀土元素分离技术领域取得了重大突破。他们的研究成果以题为“构建二维异质结构通道：利用工程化生物膜和石墨烯进行精准的钪筛分”发表在国际顶级期刊《先进材料》（Advanced Materials）上。团队成员通过将工程生物膜与氧化石墨烯层结合，成功构建了一种具有高效分离性能的二维异质通道，显著提升了钪离子的选择性识别与分离能力，并对其他稀土元素的分离和提纯也具有重要意义。

稀土元素作为国防工业、先进制造以及生命医学领域的关键资源，其纯度需求极高，且常以共生矿形式存在。稀土放射性核素在癌症治疗等领域的应用更是对其高纯度和稳定性提出了严格要求。然而，由于稀土元素间化学性质相似，传统的分离方法面临选择性低、成本高等难题。膜分离技术因其绿色环保、无相变、易于自动化操作等优势，被视为解决这一问题的理想途径。

创新点与技术优势

研究团队受细胞离子通道蛋白的启发，创新性地将工程生物膜嵌入氧化石墨烯膜层之间，并引入具有超强亲和力的镧离子结合蛋白（LanM），实现了对特定稀土离子的精准识别和筛选。通过这种方法，团队构建了稳定的二维异质通道，大幅提升了膜的热力学稳定性和机械性能，使其在高效分离钪离子方面表现出色（Ce3+/Sc3+选择性系数高达167，La3+/Sc3+选择性系数高达103，Yb3+/Sc3+选择性系数高达69）。

背景与挑战

传统的膜分离技术主要包括基于物理过程的纳米孔膜和层层堆叠膜，这些方法利用尺寸筛选机制来实现目标离子的分离。然而，单一的纳米孔膜在分离过程中容易导致孔堵塞，从而影响分离性能。相比之下，层层堆叠膜通过堆叠大面积二维纳米片形成的亚纳米层间通道，不仅有效提高了离子选择性，而且丰富的传输路径也提高了分离效率。然而，层层堆叠膜（特别是GO膜）不可避免的膨胀会影响层间通道的尺寸，从而影响分离效果。因此，通过外部压力或自组装策略构建具有稳定性和丰富活性位点的二维层间亚纳米通道，成为改善GO膜选择性和渗透性折衷问题的关键策略。

技术突破与应用前景

为了实现这一目标，研究团队创新性地将仿生膜与氧化石墨烯结合，进一步优化了膜的选择性和稳定性。仿生膜模仿了天然细胞膜的结构和功能，具备自我修复和选择性透过等优点，使二维异质结构通道在实际应用中更加高效和可靠。新方法不仅简单、快速、高效、绿色环保、低成本，还在长期稳定性和拉伸应变测试中表现出色，奠定了工业化大规模应用的基础。

该技术通过结合物理和化学作用，构建了一个稳定且精确的二维异质通道，显著提高了钪和其他稀土元素的分离选择性和效率。这一创新设计不仅适用于稀土元素的膜分离，还展示了在其他需要精准和低成本分离的行业中的广泛应用前景，为稀土资源的高效利用和可持续发展开辟了新路径。

研究团队与支持

该研究由兰州大学稀有同位素前沿科学中心主导，梁晶博士研究生和张鑫副教授为论文的第一作者，陈熙萌教授、李湛研究员和田龙龙青年研究员为共同通讯作者。研究得到了重点研发计划（稀土新材料）专项、国家自然科学基金、甘肃省重点人才、兰州市青年人才项目。

这项研究成果的发表不仅标志着稀土元素分离技术的重大进步，也为相关领域的未来研究指明了方向。未来，此项创新技术可在医学和工业应用中广泛推广，为稀土资源的高效利用和可持续发展做出重要贡献。、

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202404629