資訊：【甘快看】我科研團隊在同位素分離領域取得重大突破
來源：科技日報 2022-09-30 19:41:14
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科技日報記者頡滿斌
9月29日，記者從蘭州大學了解到，蘭州大學稀有同位素前沿科學中心、核科學與技術學院陳熙萌/李湛團隊開發了一種具有全新結構的氧化石墨烯/納孔石墨烯宏觀異質結膜，可簡單、快速、高效地分離天然水中的氘水，分離性能遠超現有技術，具有工業化應用潛力，相關成果發表在國際期刊《先進材料》，并入選編輯精選。
同位素是指具有相同原子序數但質量數（或中子數）不同的核素。根據物理特性不同，同位素可分為放射性同位素和穩定性同位素。同位素的發現使人們對原子結構有了更深刻的認識，并且同位素在核技術、醫療、農業等領域中都有著無可替代的獨特作用。其中，氘（D）作為氫的重要穩定同位素，由其組成的水分子被稱為重水（D2O）。D2O是國防科技和核能工業的重要戰略物資，在國民經濟和國家安全中有著不可替代的作用。然而，傳統的重水生產工藝面臨生產成本高、效率低、分離條件苛刻、分離流程復雜、需要有毒有害氣體的引入等問題，因此發展一種常溫常壓下簡單、快速、高效的重水分離技術具有重要的理論意義和廣闊的應用前景。
通過前期基于石墨烯材料的構筑以及在分離分析應用的探究，研究團隊將一種具有“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結構的GO/PG/GO膜，并在常溫常壓下實現對D2O的高選擇性篩分。將該膜用于D2O和H2O分離后，表現超高的分離因子，以及優異的可逆性、超低能耗和長期穩定性，分離能耗僅為3.6GJ/kg，綜合分離性能遠超現有技術。
通過一系列機理探究實驗及相關理論計算后發現，GO/PG/GO膜優異對于氫氘水的優異分離性能主要源于石墨烯層間的限域核量子效應和同位素交換等諸多因素的耦合作用。此外，利用簡單的分離設備僅通過一級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、綠色環保、簡單快速的膜分離技術有效解決了氫同位素分離的技術瓶頸，是近些年來分離科學領域的突破性研究。
該工作將負壓膜分離技術引入了同位素分離領域，擺脫了現有分離技術中必需的超低溫條件和復雜流程，無添加劑和危險有害物質的引入，極具工業化應用潛力。
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