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2026

AFM：新型MXene/CNF膜实现节能氘水筛分

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研究背景

*分离水同位素以获得氘水（D₂O），在能源、生物医药和先进制造等领域具有重要的基础研究意义和实际应用价值。例如，单个核反应堆装填通常需要数百吨氘水；而在生物医药应用中，如同位素标记和核磁共振分析，也需要高纯度的氘水以确保结果的准确性。

然而，水同位素（如 H₂O 和 D₂O）是*难分离的同位素对之一，因为它们的物理化学性质*为相似（例如，动力学直径均为 2.641 Å，键长和键能差异*小）。传统的分离方法主要包括化学交换、催化交换、低温精馏和热扩散等。尽管这些方法取得了一定成功，但普遍存在分离效率低、能耗高的问题（例如，生产 1 公斤富集 D₂O 约需 10 MWh 电能）。

近年来，研究者开发了多种多孔吸附剂（如沸石、MOFs、COFs 等），利用吸附能垒差异、量子筛分、纳米通道呼吸效应等机制来提高水同位素的选择性筛分性能。然而，这些吸附剂易达到吸附饱和，不适合长期连续运行。相比之下，具有规整纳米孔或纳米通道的分离膜，通过调控水同位素在通道内的扩散动力学差异，展现出更为持久和*的筛分潜力。但现有膜材料仍存在尺寸排阻失效以及与水同位素相互作用不足的问题，限制了其分离性能。因此，开发一种*、节能的新型水同位素筛分膜材料，成为该领域的研究重点。

本文摘要

水同位素筛分因其*其相似的物理化学性质，已被视为现代分离技术中*大的挑战之一。作为基准候选方案，当前的膜分离技术由于传统膜分离中尺寸排阻作用的失效，导致水同位素筛分性能较差。在此，提出一种简便的方法来制备 MXene/纤维素纳米纤维（CNF）复合膜，该膜具有受限的热识别氢键纳米通道，能够在低品位热下实现高选择性、节能且耐用的氘水筛分。该膜的关键在于巧妙利用了纳米通道内 CNF 所赋予的丰富的热识别氢键，这些氢键通过氘键和氢键（—OD/—OH）吸引更多的氘水和普通水，同时在低品位热下通过稳定的 —OD 相互作用热识别氘水，从而产生比普通水更显著的扩散动力学差异。研究表明，MXene/CNF 复合膜具有高达 5.2 的分离因子，而能耗低至 2.9 GJ kg⁻¹，优于大多数现有分离技术。此外，该膜在长期运行中表现出稳定的分离性能，并可进一步集成到多级分离装置中，以提高氘水的分离和浓缩能力，使其更接近实际应用。

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/kxULBVPYCeJZUJ7jGjVMFA