浙江
开发海洋铀资源对于保障核能的可持续发展与推进海洋资源综合利用具有重要意义。 然而，对于传统的偕胺肟基聚合物（PAO）吸附剂而言，当其高分子链暴露于海水中时，其高分子链易表现出蜷曲的空间构象，导致其配体利用率低下。因此，调节聚合物吸附剂分子链的空间构象一直是聚合物海水提铀材料开发的重大挑战之一。
近期，中山大学化学学院刘绍鸿教授制备了一种以β-环糊精为基底的星型聚偕胺肟基吸附剂（β-CD-g-PAO），并将其应用于海水提铀（图1）。得益于纳米尺度基底，该星型聚合物吸附剂的偕胺肟配体密度高达10.5 mmol g -1。而且，高密度的聚偕胺肟侧链因空间位阻效应而相互排斥向外伸展，可最大化提升吸附剂中偕胺肟基团的利用率，并降低铀酰离子的扩散阻力。基于上述优势，该星型聚合物吸附剂在不同浓度的铀加标海水中，均能于20 min内快速达到吸附平衡（图2a），并表现出最高达944.75 mg g -1的吸附容量（图2b）。采用1 M Na 2CO 3 + 0.1 M H 2O 2混合溶液为洗脱液时，该星型聚合物吸附剂在170 min内洗脱效率达到89.4%（图2c）。在与碳酸根的竞争性吸附中，该吸附剂也展现出低至0.31 pM的铀酰结合系数（图2e），表明其对铀酰离子具有极强的亲和力。值得指出的是，该吸附剂在天然海水中可于一天内实现高达10.9 mg g -1的吸附容量，远超 以往海水提铀材料（图3）。蒙特卡罗模拟证实，该星型吸附剂在海水中呈现出更为舒展的吸附构型，其吸附能（-379.93 kcal mol -1）显著低于线性吸附剂（-211.49 kcal mol -1）（图4）。该工作以“Amidoxime-based star polymer adsorbent with ultra-high uranyl affinity for extremely fast uranium extraction from natural seawater”为题，发表于Advanced Functional Materials, 2024, DOI: 10.1002/adfm.202404220。中山大学化学学院2021级硕士研究生易锬为本文第一作者，中山大学化学学院刘绍鸿教授为本文的通讯作者。
图1（a）线性PAO吸附剂以及（b）星型PAO基吸附剂对铀酰离子的吸附示意图。（c）星型PAO基吸附剂的合成示意图。
图2（a）星型聚合物吸附剂在铀加标海水中的吸附动力学。（b）星型聚合物吸附剂与线性PAO的吸附等温线。（c）星型聚合物吸附剂的洗脱动力学曲线。（d）pH值对星型聚合物吸附剂吸附容量的影响。（e）星型聚合物吸附剂与碳酸盐对铀酰离子的竞争性结合。（f、g）星型聚合物吸附剂分散于纯水中的数码照片。（h）线性PAO和（i）星型聚合物吸附剂分散于海水中的数码照片。
图3（a）星型聚合物吸附剂在天然海水中的吸附动力学与选择性吸附能力。（b）星型聚合物吸附剂在含有微生物的天然海水中的首天吸附性能。（c）星型聚合物吸附剂与以往海水提铀材料的首天吸附容量对比。
图4（a）星型聚合物吸附剂和（b）线性PAO在不同pH值水溶液中的状态。基于蒙特卡罗模拟的（c）星型聚合物和（d）线性PAO吸附剂与铀酰离子的吸附构型。
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原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202404220
来源：高分子科学前沿
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