兰州大学团队构筑“可编程”二维膜让“几乎一样”的分子、离子以及同位素实现高效分离

高纯手性分子、铀钒资源、盐湖锂及锂同位素分别关系生物医药、核资源循环、新能源储能和先进核能发展。然而，一对手性分子的化学组成完全相同，不同构型却可能表现出显著不同的药效、代谢和毒性；海水蕴藏约45亿吨铀，但浓度仅约3.3 mg/L，并受到钒等共存元素干扰；全球约70%的锂资源赋存于盐湖卤水，而Li⁺与Mg²⁺具有相近的水化和迁移性质，锂同位素（锂-6与锂-7）的化学性质更是几乎完全一致。如何在快速传输、高盐度、低浓度和强竞争条件下，将这些微弱差异转化为稳定的分离选择性，是能源、资源和生命健康领域共同面临的重要科学问题。

近日，兰州大学稀有同位素前沿科学中心陈熙萌教授、李湛研究团队围绕“微弱差异感知—限域界面转导—选择性放大—精准分离”开展系列研究，在二维层间构筑手性、氧化还原、压电和光电功能界面，使膜能够将分子识别、光和机械力转化为结构、电场及化学响应，推动二维膜由被动筛分通道向主动调控界面发展。

在手性分离研究中，团队将螺旋ssDNA—单壁碳纳米管嵌入GO/rGO层间，利用对映体特异性作用诱导通道结构重构，将局域而微弱的手性识别放大为显著的迁移能垒差异。膜的苯丙氨酸对映体分离因子达到12.59，连续运行168小时后仍保持稳定，六级串联后L-苯丙氨酸光学纯度达到99.95%。成果发表于《Chemical Science》并入选外封面。兰州大学博士研究生韩思琪为第一作者，万红艳、李湛为通讯作者。

相关成果入选《Chemical Science》外封面

在第一项铀钒分离研究中，团队利用单壁碳纳米管构建贯穿膜厚方向的导电桥，并通过层间限域还原在GO通道中形成连续Ag—碳反应网络，将离子脱水门控、电子传输、铀捕获和部分还原耦合于同一限域空间。膜在等摩尔V/U体系中的分离因子达到74.17，在加标海水中达到20.71，并在连续循环中保持96.61%—98.04%的铀截留率。成果发表于《Nano Letters》。兰州大学硕士研究生张瑞宗和华中科技大学李晓龙为共同第一作者，华中科技大学齐伟副教授、兰州大学李湛研究员为通讯作者。

单壁碳纳米管导电桥促进Ag⁺在层间限域还原与成核，形成连续导电金属—碳网络

在另一项铀钒分离研究中，团队采用电场引导的层间限域结晶策略，在室温下将超薄BaTiO₃纳米片原位生长于GO层间，构筑化学耦合的压电界面。超声激活后，动态压电极化、界面电荷重排和局域配位环境变化，使材料的选择性由静态条件下的“偏铀”反转为“偏钒”。在模拟海水中，钒吸附量达到71.43 mg/g，V/U分离因子达到102.08。成果发表于《Advanced Functional Materials》。兰州大学硕士研究生宫宇为第一作者，万红艳、李湛为通讯作者，西安交通大学参与合作。

图3 超声激活纳米限域BaTiO₃—GO压电界面，通过动态极化和V—O配位实现U/V选择性的机械重编程

在盐湖提锂研究中，团队在氧化石墨烯层间原位生长二维CsPbBr₃纳米片，构筑光电异质结膜。光照产生的内建微电场促进Li⁺迁移并限制Mg²⁺传输，使Li⁺/Mg²⁺选择性最高达到97，连续运行264小时后仍保持稳定。成果发表于《Advanced Functional Materials》并入选外封面。兰州大学博士研究生高奇峰为第一作者，陈熙萌、李湛为通讯作者。

团队进一步将研究范围由盐湖锂资源提取拓展至锂同位素精细分离，发展了多机制协同的膜分离技术。该体系对锂-6/锂-7的单级分离因子最高可达5.0；在天然丰度锂体系中，可使目标物料中锂-7丰度由约92.5%单级降低至约88%，在特定进料组成和运行条件下，可由约90%的单级降低至约50%。相关分离结果已通过第三方检测验证，关键技术已申请专利。在此基础上，团队已与相关单位联合开展工程化应用研究，围绕工艺路线优化、规模化膜材料制备、关键膜组件研制、连续分离装置构建及配套设备开发开展协同攻关，重点推进系统集成、长期稳定运行及工程应用验证。目前，相关技术正由实验室原理验证向工程样机研制和产品开发阶段推进，初步形成了涵盖“盐湖提锂—锂同位素分离—工艺装备研发—工程化应用”的技术链条。

相关成果入选《Advanced Functional Materials》外封面（左）及锂同位素分离工艺与设备研发（右）

系列研究表明，二维层间空间不仅是物质通过的纳米通道，还可以成为感知、转导和放大微弱差异的功能界面。相关工作实现了从手性分子纯化、铀钒分离到盐湖锂资源提取和锂同位素精细分离的拓展，并进一步由材料研究走向工艺、装备和产品化开发，为高端药物制造、核资源循环、盐湖资源高值利用及先进核能发展提供了新的材料、技术和装备基础。

相关研究得到甘肃省重点研发计划、国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国博士后科学基金、中央高校基本科研业务费、兰州市青年科技人才创新项目、甘肃省科技计划及相关重点实验室开放项目等支持。

【论文信息】

1.Interaction–structure coupling enables high-flux enantioselective transport in lamellar membranes, Chemical Science, 2026, 17(28), 13804–13815, DOI: 10.1039/D6SC03058K.

2.Interlayer-Confined Redox Assembly Creates a Continuous, Addressable Phase for Coupled Mass-Energy Transport in Lamellar Membranes, Nano Letters, 2026, 26(23), 7738–7748, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6c01727.

3.Mechanical Reprogramming of Ion Selectivity at Nanoconfined Piezoelectric Interfaces, Advanced Functional Materials, 2026, e77168, DOI: 10.1002/adfm.77168.

4.Photodriven Two-Dimensional Optoelectronic Heterojunction Membranes for Highly Efficient Lithium Separation, Advanced Functional Materials, 2026, 36(60), e76159, DOI: 10.1002/adfm.76159.