9月2日，中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“青島能源所”)團(tuán)隊(duì)近期在海水提鈾材料領(lǐng)域取得系列進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)首次將離散分子拓?fù)湓O(shè)計(jì)引入多孔有機(jī)籠體系，合成出磷酸功能化材料PhosCage;并進(jìn)一步將其與芳綸納米纖維復(fù)合，制備出兼具高選擇性、高容量和抗生物污損能力的復(fù)合氣凝膠微球AC-POC。相關(guān)成果發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《危險(xiǎn)材料雜志》和《分離純化技術(shù)》。

海洋深處藏著一座巨大的“鈾庫(kù)”，但如何經(jīng)濟(jì)、高效地從中“淘鈾”，卻是一個(gè)世界性難題。海水中鈾主要以鈾酰離子形式存在，濃度極低，且伴有大量其他金屬離子和微生物。傳統(tǒng)吸附材料常常“抓錯(cuò)”目標(biāo)，或者被微生物附著干擾。因此，開(kāi)發(fā)高選擇性、高容量且能抗污損的吸附材料，是海水提鈾走向?qū)嵱玫年P(guān)鍵。

此次青島能源所團(tuán)隊(duì)提出離散分子拓?fù)湓O(shè)計(jì)策略，在多孔有機(jī)籠的層間納米空間內(nèi)定向構(gòu)建磷酸吸附簇，制備出首例磷酸功能化多孔有機(jī)籠材料——PhosCage。在實(shí)驗(yàn)室條件下，PhosCage僅需5分鐘即可達(dá)到吸附平衡;在多個(gè)海域的真實(shí)海水樣品中，其最高提鈾容量達(dá)50.4mg/g，是美國(guó)能源部相關(guān)基準(zhǔn)的8.4倍。

要讓這一材料真正用于海洋工程，還要解決粉末材料難以部署和微生物附著等問(wèn)題。為此，團(tuán)隊(duì)將PhosCage與芳綸納米纖維復(fù)合，通過(guò)物理纏結(jié)與化學(xué)交聯(lián)鎖定相協(xié)同的方式，規(guī)模化制備出雙網(wǎng)絡(luò)復(fù)合氣凝膠微球AC-POC。該微球內(nèi)部具有連通的孔隙通道，其內(nèi)部交織的磷酸根和羧基更是構(gòu)建了一個(gè)強(qiáng)效的協(xié)同供電子配位環(huán)境，有效降低了鈾酰離子的配位能壘，也就是化學(xué)反應(yīng)發(fā)生前需要跨越的能量門(mén)檻。這使得捕獲反應(yīng)更容易發(fā)生，從而提升了對(duì)鈾酰離子的捕獲效率。

研究顯示，在多離子競(jìng)爭(zhēng)體系中，AC-POC表現(xiàn)出高選擇性;在天然海水中連續(xù)運(yùn)行15天后，其動(dòng)態(tài)提鈾容量為22.55mg/g，達(dá)到美國(guó)能源部相關(guān)基準(zhǔn)的3.8倍。同時(shí)，微球表面負(fù)電荷可抑制微生物附著和生物膜形成，有助于提升材料在真實(shí)海洋環(huán)境中的服役穩(wěn)定性。

該研究填補(bǔ)了多孔有機(jī)籠材料在海水提鈾領(lǐng)域的空白，也為高抗污、高選擇性和高容量的可持續(xù)海水提鈾吸附材料設(shè)計(jì)奠定了理論與工程基礎(chǔ)。