单层石墨烯对同位素的选择性分离研究

Isotope separation is of great significance in the nuclear industry and the energy industry, and it is also a difficult issue in the separation science. It is reported that the separation of hydrogen isotopes can be achieved through perfect graphene, but the separation process for isotopes of other elements is still unclear, so we intend to study separation of isotopes of various elements using graphene. Firstly, the perfect/ defective graphene on copper substrate is transferred to the penetrable PET film, which is used to study the effect of the graphene defects on the isotope separation. Secondly, the effect of temperature, acidity, salinity, and pressure on the separation of H-1,2,3, Cu-63,65, and Cl-35,37 is also studied for optimizing the separation conditions, which could be used to provide a new isotope separation technology. Subsequently, the experimental data, using quantum chemistry and molecular dynamics simulation software, is simulated to calculate isotope separation process, it is used to clarify the mechanism of isotope separation through graphene. Based on this project, we would reveal the selective mechanism of isotope filtering through graphene, and provide a new separation method of isotope separation, which would build the theoretical basis for the application of graphene in the field of isotope separation, and then provides a new idea for the development of the nuclear industry and the energy industry.

同位素分离分析在核能与新能源领域具有重要研究意义，也是分析化学学科中分离科学领域的一个难点。研究表明石墨烯具有氢同位素分离潜力，但是对于其他元素同位素的分离及机理尚不可知，因此我们拟研究石墨烯对氢-1,2,3，铜-63,65和氯-35,37同位素之间的分离。将铜基完美/辐照缺陷石墨烯转移至苯二甲酸乙二酯核孔膜上，制备可用于透析分离的单层完美/不同缺陷度的石墨烯膜，置于分离装置中，研究石墨烯缺陷度对质子过滤的影响；考察温度、酸度、盐度及压强等因素对多种元素同位素分离的影响，优化分离条件，建立一种新型同位素膜分离技术；结合实验数据，利用量子化学与分子动力学模拟软件计算同位素的分离过程，阐明同位素透过石墨烯的分离机理。通过本项目研究，揭示石墨烯膜对多种同位素分离过程及机理，为石墨烯在同位素分离领域的应用奠定理论基础，为核工业和能源工业的中的同位素分离分析建立一种新方法与新手段。

重水分离提取在军事工业和民用核能领域均具有极其重要的意义，现有的重水提取过程面临复杂、高耗能、分离因子低以及产率低等问题，因此有必要建立一种具有自主知识产权的重水提取新方法。该项目通过自主开发的多重限域燃烧合成策略，成功制备出不同孔径的纳孔石墨烯和氮掺杂的纳孔石墨烯材料，并将其成功的应用于钠钾离子、稀土离子、对映体分子以及氢氘水的选择性分离研究中。研究发现重水的提取过程强烈依赖于纳孔石墨烯的孔径，并且与其表面基团和组成无关，同时发现温度越低分离选择性越高且吸附能力越强，与液态相比，气态氘水选择性吸附能力更强；进一步研究发现纳孔石墨烯对于氘水的选择性吸附能力源于纳孔石墨烯层间的选择性扩散过程，进一步研究构效关系，提出一种简单、快速、高效、低成本的自主知识产权的氘水提取方法。此外，构建出一类对X射线高吸收的银/氧化石墨烯CT增强造影剂，并将其成功用于小鼠肾功能障碍模型的高灵敏性CT增强成像诊断中，进而首次将纳米颗粒引入非肿瘤疾病的CT诊断研究中。因此，我们成功了制备出可用于氘水选择性提取的新材料，并在此项目的支持下，成功的开发出一系列重要应用潜力的新材料和新方法，并发表SCI论文10多篇，申请专利4项，授权1项。