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科技日报记者 颉满斌
9月29日，记者从兰州大学了解到，兰州大学稀有同位素前沿科学中心、核科学与技术学院陈熙萌/李湛团队开发了一种具有全新结构的氧化石墨烯/纳孔石墨烯宏观异质结膜，可简单、快速、高效地分离天然水中的氘水，分离性能远超现有技术，具有工业化应用潜力，相关成果发表在国际期刊《先进材料》，并入选编辑精选。
同位素是指具有相同原子序数但质量数（或中子数）不同的核素。根据物理特性不同，同位素可分为放射性同位素和稳定性同位素。同位素的发现使人们对原子结构有了更深刻的认识，并且同位素在核技术、医疗、农业等领域中都有着无可替代的独特作用。其中，氘（D）作为氢的重要稳定同位素，由其组成的水分子被称为重水（D2O）。D2O是国防科技和核能工业的重要战略物资，在国民经济和国家安全中有着不可替代的作用。然而，传统的重水生产工艺面临生产成本高、效率低、分离条件苛刻、分离流程复杂、需要有毒有害气体的引入等问题，因此发展一种常温常压下简单、快速、高效的重水分离技术具有重要的理论意义和广阔的应用前景。
通过前期基于石墨烯材料的构筑以及在分离分析应用的探究，研究团队将一种具有“火山口状”孔隙的多孔石墨烯（PG）纳米片夹在两层GO膜之间，制备出具有宏观异质结构的GO/PG/GO膜，并在常温常压下实现对D2O的高选择性筛分。将该膜用于D2O和H2O分离后，表现超高的分离因子，以及优异的可逆性、超低能耗和长期稳定性，分离能耗仅为3.6 GJ/kg，综合分离性能远超现有技术。
通过一系列机理探究实验及相关理论计算后发现，GO/PG/GO膜优异对于氢氘水的优异分离性能主要源于石墨烯层间的限域核量子效应和同位素交换等诸多因素的耦合作用。此外，利用简单的分离设备仅通过一级分离就可以成功将天然水中的D2O浓度从0.013%富集到0.059%。因此，这种低能耗、绿色环保、简单快速的膜分离技术有效解决了氢同位素分离的技术瓶颈，是近些年来分离科学领域的突破性研究。
该工作将负压膜分离技术引入了同位素分离领域，摆脱了现有分离技术中必需的超低温条件和复杂流程，无添加剂和危险有害物质的引入，极具工业化应用潜力。
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