蘭大陳熙萌/李湛團(tuán)隊(duì): MOF新材料助力解決核/放射化學(xué)“皇冠級(jí)難題”

研究介紹

核能作為高效、低碳的能源形式，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)未來(lái)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的重要支撐。然而，核能利用的背后，是高放射性核廢物處理這一全球性科學(xué)難題。

核反應(yīng)堆在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的乏燃料廢液，其中富含鑭系 (Ln) 與錒系 (An) 元素。兩類離子在化學(xué)性質(zhì)上極為相似：它們具有相近的離子半徑、相同的三價(jià)狀態(tài)和相似的水合結(jié)構(gòu)。這種高度相似性使得分離它們?nèi)缤谝蝗骸盎瘜W(xué)雙胞胎”中識(shí)別個(gè)體，是核化學(xué)與放射化學(xué)中公認(rèn)的“皇冠級(jí)難題”。實(shí)現(xiàn)高效的錒鑭分離不僅關(guān)系到核廢料體積減量化和長(zhǎng)期放射毒性降低，更直接影響核燃料閉式循環(huán)體系的經(jīng)濟(jì)性、安全性與可持續(xù)發(fā)展能力。

長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)際上主流的錒鑭分離技術(shù)以液–液溶劑萃取為主，但該方法工藝復(fù)雜、能耗高、需要大量有機(jī)配體，且會(huì)產(chǎn)生二次廢液。膜分離技術(shù)以其綠色、高效、易于連續(xù)化的特性被視為理想替代方案。然而，在核廢液這種高酸度、高輻照、高腐蝕性的極端環(huán)境中，傳統(tǒng)膜材料普遍面臨穩(wěn)定性不足的問(wèn)題：聚合物膜易被酸性介質(zhì)侵蝕，陶瓷膜雖具剛性卻脆性大，而金屬有機(jī)框架 (MOF) 膜雖然擁有精準(zhǔn)可調(diào)的孔道結(jié)構(gòu)，但其有機(jī)配體在強(qiáng)酸與輻射下極易降解。這一困境使 MOF 膜始終徘徊在“實(shí)驗(yàn)室展示”與“工程應(yīng)用”的臨界點(diǎn)。

如何在分子尺度上實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與選擇性分離性能的統(tǒng)一，成為全球核化學(xué)與材料科學(xué)領(lǐng)域共同面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

研究?jī)?nèi)容

針對(duì)這一挑戰(zhàn)，蘭州大學(xué)陳熙萌教授與李湛教授團(tuán)隊(duì)提出了一種全新的膜材料構(gòu)筑理念，并在英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)旗艦期刊Chemical Science上發(fā)表了題為“

Interlayer oxygen-bridged dual-channel 2D MOF membrane

該研究以“氧橋鍵控穩(wěn)定”和“限域空間誘導(dǎo)生長(zhǎng)”為核心策略，在石墨烯氧化物（GO）層間原位生長(zhǎng)出具有氧橋連接的二維金屬有機(jī)框架膜（Lob-MOF），實(shí)現(xiàn)了 MOF 膜在極端化學(xué)條件下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定化與功能優(yōu)化。

這一構(gòu)筑策略的核心在于在 GO 層間引入無(wú)水 NiCl? 前驅(qū)體，通過(guò)限域水解與有機(jī)配體反應(yīng)生成 Ni–O–Ni 氧橋結(jié)構(gòu)。氧橋鍵不僅像“分子鉚釘”一樣固定層間結(jié)構(gòu)、抑制 MOF 無(wú)序結(jié)晶，還在垂直方向上形成規(guī)則的納米通道，與 MOF 面內(nèi)孔道共同構(gòu)成雙通道體系。這一“二維限域+氧橋鍵”設(shè)計(jì)，使膜體在化學(xué)鍵層面獲得超強(qiáng)穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該膜在 7.5 M 硝酸和 200 kGy 輻照條件下仍能保持結(jié)構(gòu)完整，水通量提升 16.7 倍，機(jī)械強(qiáng)度提升近九倍，展現(xiàn)出迄今 MOF 膜體系中罕見(jiàn)的力學(xué)與化學(xué)穩(wěn)定性。

在性能測(cè)試中，Lob-MOF 膜在強(qiáng)酸溶液中實(shí)現(xiàn)了對(duì)錒鑭離子的高選擇性分離。研究發(fā)現(xiàn)，該膜的主通道孔徑約為 4.96 ?，介于線形雙氧錒離子（UO?2?、AmO?2?，約 4.8 ?）與球形水合鑭離子（Ln3?，約 5.0 ?）之間。結(jié)果表明，球形 Ln3? 在通道口形成水合勢(shì)壘被阻擋，而線形 AnO?2? 離子沿通道軸向定向遷移得以通過(guò)，實(shí)現(xiàn)了“形態(tài)調(diào)控驅(qū)動(dòng)的離子選擇性傳輸”。分離系數(shù)（SF）超過(guò) 500，遠(yuǎn)高于現(xiàn)有 MOF 膜報(bào)道值。分子動(dòng)力學(xué)（MD）與密度泛函理論（DFT）計(jì)算進(jìn)一步揭示了離子遷移機(jī)理：線形錒氧離子在膜中遷移勢(shì)能面平緩，通行活化能僅 0.85 kcal·mol?1，而 Ln3? 離子需克服高勢(shì)壘超過(guò) 5 kcal·mol?1。這一結(jié)果證實(shí)，Lob-MOF 膜的分離機(jī)制是尺寸篩分與取向調(diào)控的協(xié)同結(jié)果。更為關(guān)鍵的是，在連續(xù)運(yùn)行 360 小時(shí)的交叉流系統(tǒng)中，膜性能未出現(xiàn)衰減，顯示出優(yōu)異的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

這一成果不僅解決了 MOF 膜的“穩(wěn)定性瓶頸”，更重要的是，它在分子結(jié)構(gòu)層面建立了“化學(xué)鍵控制穩(wěn)定性”的新范式。氧橋限域策略通過(guò)構(gòu)筑內(nèi)生化學(xué)連接，實(shí)現(xiàn)了從外部強(qiáng)化到內(nèi)部自穩(wěn)的轉(zhuǎn)變。這種從結(jié)構(gòu)自洽性出發(fā)的設(shè)計(jì)理念，使材料能夠在酸、輻射與壓力的多重作用下仍保持有序結(jié)構(gòu)，是 MOF 膜材料科學(xué)的關(guān)鍵躍升。

蘭州大學(xué)團(tuán)隊(duì)的研究不僅在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了核廢料分離的新突破，更在科學(xué)思想上拓展了極端環(huán)境材料設(shè)計(jì)的邊界。首先，該成果為核化學(xué)與放射化學(xué)提供了一條全新的綠色分離途徑。與傳統(tǒng)的溶劑萃取體系（如 DIAMEX、SANEX、TRUEX）相比，Lob-MOF 膜體系無(wú)需有機(jī)萃取劑，不產(chǎn)生有機(jī)廢液，操作安全且可持續(xù)，代表著核廢料處理工藝由“化學(xué)萃取”向“固態(tài)分離”的重要轉(zhuǎn)型。其次，它在 MOF 膜領(lǐng)域引入了“限域誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)”與“橋鍵穩(wěn)定化”的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，為高穩(wěn)定性功能膜材料的開(kāi)發(fā)提供了新的理論框架。這種設(shè)計(jì)思路可推廣至其他過(guò)渡金屬（Co、Zn、Cu 等）體系，甚至可擴(kuò)展至催化、電化學(xué)、環(huán)境治理等領(lǐng)域。

從更宏觀的角度看，這項(xiàng)研究對(duì)我國(guó)核能可持續(xù)發(fā)展具有戰(zhàn)略意義。高效、穩(wěn)定、可控的分離膜是未來(lái)核燃料閉式循環(huán)體系的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響核能利用效率與環(huán)境安全水平。Lob-MOF 膜的成功表明，我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)已具備從基礎(chǔ)化學(xué)設(shè)計(jì)到工程應(yīng)用過(guò)渡的系統(tǒng)創(chuàng)新能力。這項(xiàng)成果不僅提升了我國(guó)在核分離材料領(lǐng)域的國(guó)際影響力，也為全球極端環(huán)境材料科學(xué)提供了新的研究路徑。

科學(xué)的本質(zhì)，在于在復(fù)雜中發(fā)現(xiàn)秩序，在極端中保持穩(wěn)定。氧橋限域 MOF 膜的成功，展示了材料科學(xué)如何在分子層面實(shí)現(xiàn)“結(jié)構(gòu)的理性與功能的智慧”。它提醒我們，真正的穩(wěn)定并非被動(dòng)抵御破壞，而是通過(guò)結(jié)構(gòu)自洽與鍵能平衡主動(dòng)實(shí)現(xiàn)持久秩序。未來(lái)，隨著這種設(shè)計(jì)思想在更多二維體系中的拓展，我們或許將看到 MOF 膜在核廢料處理、放射性水凈化、稀有金屬回收，乃至太空核動(dòng)力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用。它標(biāo)志著材料科學(xué)從“抗極端”走向“馴極端”的時(shí)代正在到來(lái)。

論文信息

• Interlayer-Bridged Dual-Channel 2D MOF Membranes for Ultra-Stable Ion Sieving in Extreme Environments

  Yaxin Hao, Qifeng Gao, Xiaonan Mao, Zhencun Cui, Youqian Ding, Wangsuo Wu, Ximeng Chen* and Zhan Li*
  

  Chem. Sci., 2025,16, 21346–21358
  https://doi.org/10.1039/D5SC06842H

作者簡(jiǎn)介

郝亞新

本文第一作者，蘭州大學(xué)博士研究生在讀。主要研究方向?yàn)槎S層狀膜的設(shè)計(jì)合成及其層間選擇性傳質(zhì)過(guò)程研究。在

Chem Sci, Adv Sci

李湛

本文通訊作者，蘭州大學(xué)研究員，主要針對(duì)氫鋰同位素、鑭錒離子等重大戰(zhàn)略元素，開(kāi)展二維通道中的限域分離過(guò)程與高效分離提取技術(shù)的研究。以第一/通訊作者在

Adv. Mater.

PRX Energy，Nano Lett.

Chem. Sci.

JACS Au，Adv. Funct. Mater.

Anal. Chem.

Small

陳熙萌

本文通訊作者，蘭州大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。主要從事射線與物質(zhì)相互作用研究。主持航天探月工程項(xiàng)目、973 預(yù)研項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、核工業(yè)基金項(xiàng)目、甘肅省重大科技專項(xiàng)等科研項(xiàng)目 30 余項(xiàng)。在

Adv Mater, PRX energy, Nano Lett, Chem Sci, PRA, PRB

期刊簡(jiǎn)介

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Chem. Sci.

2-年影響因子*7.4分 5-年影響因子*7.8分 JCR?分區(qū)*Q1化學(xué)-綜合 CiteScore 分?12.6分 中位一審周期?33天

Chemical Science 是涵蓋化學(xué)科學(xué)各領(lǐng)域的跨學(xué)科綜合性期刊，也是英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)的旗艦期刊。所發(fā)表的論文不僅要在相應(yīng)的領(lǐng)域內(nèi)具有重大意義，而且還應(yīng)能引起化學(xué)科學(xué)其它領(lǐng)域的讀者的廣泛興趣。所發(fā)表的論文應(yīng)包含重大進(jìn)展、概念上的創(chuàng)新與進(jìn)步或者是對(duì)領(lǐng)域發(fā)展的真知灼見(jiàn)。發(fā)文范圍包括但不限于有機(jī)化學(xué)、無(wú)機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)、材料科學(xué)、納米科學(xué)、催化、化學(xué)生物學(xué)、分析化學(xué)、超分子化學(xué)、理論化學(xué)、計(jì)算化學(xué)、綠色化學(xué)、能源與環(huán)境化學(xué)等。作為一本鉆石開(kāi)放獲取的期刊，讀者可以免費(fèi)獲取所發(fā)表論文的全文，同時(shí)從該刊的論文版面費(fèi)由英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)承擔(dān)，論文作者無(wú)需付費(fèi)。

Editor-in-Chief

• Andrew Cooper
  利物浦大學(xué)

Associate editors

• Vincent Artero
  格勒諾布爾阿爾卑斯大學(xué)／法國(guó)原子能和替代能源委員會(huì)

• Luis M. Campos
  哥倫比亞大學(xué)

• Lin Chen
  西北大學(xué)

• Graeme Day
  南安普敦大學(xué)

• Mircea Dinc?
  麻省理工學(xué)院

• Fran?ois Gabba?
  得克薩斯農(nóng)工大學(xué)

• Subi George
  賈瓦哈拉爾·尼赫魯高級(jí)科學(xué)研究中心

• Ryan Gilmour
  明斯特大學(xué)

• Stephen Goldup
  伯明翰大學(xué)

• Jinlong Gong (鞏金龍)
  天津大學(xué)

• Zaiping Guo (郭再萍)
  阿德萊德大學(xué)

• Christian Hackenberger
  德國(guó)萊布尼茨分子藥理學(xué)研究所

• Malika Jeffries-EL
  波士頓大學(xué)

• Ning Jiao (焦寧)
  北京大學(xué)

• Tanja Junkers
  莫納什大學(xué)

• Hemamala Karunadasa
  斯坦福大學(xué)

• Maja K?hn
  弗萊堡大學(xué)

• Yi-Tao Long (龍億濤)
  南京大學(xué)

• James K McCusker
  密歇根州立大學(xué)

• Thomas J Meade
  西北大學(xué)

• Paolo Melchiorre
  博洛尼亞大學(xué)

• Gabriel Merino
  墨西哥國(guó)家理工學(xué)院科研和高級(jí)研究中心

• Hannah Shafaat
  加州大學(xué)洛杉磯分校

• Dmitri Talapin
  芝加哥大學(xué)

• Toshiharu Teranishi
  京都大學(xué)

• Andrei Yudin
  多倫多大學(xué)

* 2024 Journal Citation Reports (Clarivate, 2025)

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