中国石油大学（华东）郭海玲教授｜共价交联分子筛-氧化石墨烯膜用于高效核素吸附

研究背景

核电事故与核废水排放使放射性核素（如 Cs⁺、Sr²⁺）的安全去除成为环境治理中的关键问题。吸附法因高效、低能耗被广泛关注，但现有吸附材料仍面临两大挑战：

1. 吸附量偏低——缺乏足够的离子存储空间；
2. 抗辐照性能不足——长期辐照下结构衰退明显。

氧化石墨烯（GO）膜具有层状结构与丰富官能团，且耐辐照性能良好，理论上适合构筑“核素离子存储通道”；但在水溶液中，其层间易溶胀、结构不稳定。分子筛具有优异的抗辐照性，且表面富含活性硅羟基基团，是一种极具潜力的 GO 膜层间交联剂。然而，传统的分子筛-GO 复合材料通常是通过简单混合或氢键结合而成，较差的界面相容性使其复合材料在水溶液中不具备高结构稳定性。

因此，在分子筛和氧化石墨烯界面实现强交联耦合是制备耐用且高性能核素离子吸附膜的关键。

研究内容

近日，中国石油大学（华东）郭海玲教授和青岛科技大学杨歌副教授合作报道了一种基于 NaOH 诱导的原位晶化策略，实现 EMT 型分子筛在 GO 膜层间的共价交联与可控插层，构筑了高稳定性的 GO/EMT 共价交联吸附膜。其核心创新点体现在两个方面：

（1）分子筛作为“结构调控剂”实现 GO 膜的稳定构筑

研究团队通过 NaOH 诱导前驱体原位晶化策略，使 EMT 前驱体在 GO 膜层间直接转化为 EMT 型纳米晶体。该过程同时实现了“可控插层 + 共价交联”两大结构调控效果：

① 在 GO 层间的限域环境中，EMT 前驱体逐步转化为高度分散的 EMT 纳米晶体，使膜的层间距从 0.79 nm 扩大至 0.93 nm（图 1a）。这一扩容效应构筑了贯通膜内部的“多层离子吸附与存储通道”，为后续提升核素离子吸附容量奠定结构基础。

② 在碱性环境下，EMT 前驱体的表面 Si–OH 与 GO 的 C–OH 发生缩合反应，形成 Si–O–C 共价键（图 1b）。该交联作用显著抑制了 GO 的层间溶胀与剥离，使 GO/EMT 膜在水相环境中保持优异的结构完整性。

图 1 a) 氧化石墨烯膜及不同复合膜的 XRD 谱图；b) 分子筛及不同复合膜的 FT-IR 谱图。

（2）“离子交换 + 多层吸附”协同机制：交联膜实现高容量吸附的新路径

研究团队发现，EMT-GO 交联膜在保持结构稳定的同时，展现出显著提升的核素吸附容量，其关键来源于多层吸附与离子交换的协同机制：

① EMT 纳米晶体将 GO 片层均匀支撑并稳定扩间，使层间通道扩展到近 1 nm，形成可容纳核素离子累积的“富集腔室”。吸附等温线表明，该复合膜显著符合 Freundlich 多层吸附模型（图 2a），证明核素离子在层间空间中以层层堆积的方式富集，而非局限于片层表面的单层结合。

② 在 EMT 前驱体的原位转化过程中，少量可交换 Na⁺ 被保留在层间结构中。当核素离子进入通道后，可与这些 Na⁺ 发生部分离子交换（图 2b），在多层吸附的基础上进一步增加有效吸附量。

图 2 a GO/EMT 交联复合膜的吸附等温线（以 Cs⁺ 为例）；b GO/EMT 交联复合膜核素离子吸附前后的 XPS 谱图。

总结展望

本工作通过碱诱导的原位晶化策略，实现了二维碳材料与无机分子筛的界面共价交联与深度整合，成功构筑出结构稳定、层间可控的交联膜体系，并验证其在核素离子高效吸附领域的优异性能与应用潜力。复合膜的 Cs⁺ 和 Sr²⁺ 离子吸附容量分别高达 224.4 mg/g 和 302.8 mg/g，且暴露于 100 kGy γ-辐照后，该复合膜仍保留 93% 的高吸附容量。

论文信息

Interface-covalent coupled zeolite–graphene oxide membranes via NaOH-induced in situ crystallization for robust radionuclide adsorption

Ge Yang, Yaozuo Zhou, Mengling Sun, Lei Zhao, Hao Wu, Hailing Guo, Soryong Chae and Svetlana Mintova

Inorg. Chem. Front., 2025, Advance Article

https://doi.org/10.1039/D5QI02226F

通讯作者简介

郭海玲，中国石油大学（华东）化学化工学院教授，任国际分子筛合成委员会理事。2009年于吉林大学获博士学位，随后在长春应用化学研究所、法国国家科学研究中心开展博士后工作，2009年入职中国石油大学（华东）。长期从事无机多孔材料和无机膜的制备和应用研究。在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Chem. Soc. Rev.等化学领域顶刊发表论文110篇，总引用次数4012次，H-index 30，授权和已申请专利20项。