浙江海洋大学徐兴涛教授团队/CEJ：从海水中提取铀的吸附材料的功能导向设计原则

第一作者：Shaoqing Liu

通讯作者：左彬, 徐兴涛

通讯单位：浙江海洋大学

论文DOI：10.1016/j.cej.2024.156783

研究背景

随着工业和人口的快速增长，传统能源不再足以满足需求，人们更加关注清洁能源的开发和利用。近年来，核能作为一种新兴的可持续能源，因其高能量密度和较低的碳排放而被认为是未来低碳能源生产的关键。铀（U）是核裂变燃料中最常用的元素，广泛分布在地壳和海水中。据报道，海水中的铀含量超过40亿吨，是陆地上发现的1000多倍。考虑到这一点，从海水中提取铀（UES）已成为当前研究的重点。不幸的是，推进工业应用的UES仍然是一个巨大的挑战，主要是由于微量铀浓度（约3.3 µg L-1）、来自各种共存离子的竞争以及海洋环境的独特复杂性。此外，铀与海水中的其他元素和阴离子紧密结合，形成高度稳定的三碳酸盐配合物，这增加了从海水中有效捕获铀的难度。从本质上讲，从海水中捕获铀需要具有高亲和力、高选择性、快速动力学、优异的抗污性和低成本的UES吸收材料。

近年来，世界各地的研究人员一直在努力为UES寻找更有效的材料或方法，开发各种涉及一个或多个有利特性的UES吸附剂。一些评论已经部分讨论了这一进展，这些评论主要集中在总结UES的配体类型或新兴材料和技术。尽管UES材料的开发和设计取得了进展，但实现高质量UES吸收剂的基本方法通常需要广泛且耗时的实验来验证设计原理的准确性。这个过程通常会降低设计过程的效率，特别是在不同条件下合成具有难以系统统一的固有特性的功能材料。近年来，材料信息学（MI）的出现为研究人员提供了全面了解针对特定应用需求量身定制的参数的机会，并采用优化算法来实现最佳性能。特别是，在MI 的协助下，最近提出了一种基于纳米建筑构造学的新材料合成范式，称为“材料空间构造学”。目前，材料空间构造正在各种多孔材料领域迅速发展，加速材料合成化学的进步，并根据“成分-结构-性能”之间的相关性为UES材料设计提供了新的机会。

本综述首先从材料空间构造学的角度系统地探索功能化UES材料的设计原则。它以“成分-结构-性能”框架为中心，特别强调关键绩效指标，包括吸附能力、选择性和耐用性。然后，它探索了影响UES材料性能的“成分结构”参数，确定了单个性能指标的最佳参数组合。最后，基于材料空间构造理论，本综述利用MI为高效UES吸附剂建立最佳“成分-结构-性能”关系，这将促进具有目标功能的UES材料的精确合成，并大大简化UES材料的优化过程。本文的目的是为UES吸附剂的设计提供实用的见解，为下一代铀吸附剂的开发提供前景，并为UES吸附剂的开发奠定理论基础。

图文导读

图1. （a）铀酰阳离子螯合的常用含氧配体。（b）尿苷离子在脒肟基上的配位模式。（c）JUC-505-AO吸附铀的示意图。经参考许可复制。（d）CS-AMP的合成和铀的选择性吸附。（e）PC 对铀的吸附机理。

图2. （a）COF-SO3H和[NH4]+[COF-SO3−]空间结构和ABA堆叠模式。（b）MOF晶体结构示意图。c）分层多孔自组装MOF微球构建示意图。（d）由分层多孔结构构建的离子扩散通道示意图。（e）GA、GD和GDC的SEM图像以及GDC合成的可能机制。

图3. （a）GO-CS-P材料合成成分图。（b）MnS吸附剂对龧酸离子的作用机制以及不同形式的硫的变化。（c）铀和钒对COF-HTF-AO的不同作用机制。

图4.（a）SUP蛋白的详细示意图。（b）SUP设计模型的示意图。（c）由DFT计算的结合能量和键距离。（d）DNA-UEH水凝胶形成过程图。（e）I-CNF和NI-CNF气凝胶的化学反应机制。

图5. （a）基于PAO-Co吸附剂的ROS生成机理示意图。（b）在海水提取铀条件下的过滤器和过滤器中。（c）Anti-UiO-66的合成和吸附机制示意图。（d）电荷平衡吸附剂对防污特性的作用机制示意图。

图6. （a）PAO PNM的SEM图像显示大孔直径。（b）MS@PIDO/Alg混合海绵在50%应变下1000个周期的压缩应力染色曲线。（c）10次吸附和去吸附后H-ABP纤维的SEM图像清楚地显示了有序的功能性聚合物颗粒和三维分层多孔结构。（d）干燥和纤维断裂表面后的SSUP纤维SEM图像。（e）DSUP光纤的可重复使用性图。（f）Fe3O4@TiO2-AO的吸附-脱吸附周期。（g）在Fe3O4@MnOx的模拟海水中U（VI）的28天动态吸附柱实验结果。

图7. UES材料设计中材料空间构造技术的操作机制。

总结与展望

海水拥有大量的铀资源库，使直接UES成为一项有前途的努力。然而，海水中铀的浓度相对较低，约为3.3 µg L-1。此外，海水含有各种离子，导致激烈的竞争，而复杂的海洋环境对大规模铀开采构成了额外的挑战。研究人员通过设计和建造更先进的UES吸附剂，努力解决提取效率低、离子选择性不足和材料污染等问题。功能引导吸附剂设计方法因其提供增强亲和力、出色的选择性、快速动力学反应和持久稳定性的能力而备受关注。本综述强调了从材料空间构造学的角度出发的三个以功能为导向的设计原则，旨在提高UES吸附剂的性能，并讨论了UES吸附材料的局限性，并强调了材料空间构造的潜力：

（i）引入与铀协同相互作用的官能团，或将特定材料纳入吸附剂的微观结构中，以增强铀在海水中的接触和捕获，从而提高铀的吸附能力。

（ii）通过优化特定功能成分并根据铀离子的独特结构精确调整材料的空间结构，显著提高吸附剂的选择性。

（iii）利用抗菌和保护材料在一定程度上增强了其抗生物污染能力。此外，微调材料结构使吸附剂能够在复杂的海水环境中经受长时间暴露，从而增强材料的耐用性。

（iv）从成分和结构的角度研究当前材料设计的局限性，突出了材料空间构造对UES材料设计的潜力。具体来说，材料空间构造被用来指导UES材料的设计，并优化三个关键特性：吸附能力、选择性和耐用性。

UES的商业应用仍处于起步期，主要是由于致力于为此目的规范材料成分和结构的研究稀缺，再加上所涉及的大量经济成本。克服这些挑战是进步的必行之急。随后，对这些障碍及其潜在补救措施进行检查。

（i）主要挑战在于开发高性能铀提取吸附剂，其特点是吸附能力高、选择性和稳定性。增强这些属性需要由材料空间工程（如嫁接物改性）促进的特定配体设计，以实现与铀的精确结合。对这些机制的深入研究，并辅以理论计算，将作为未来配体精炼和优化的指导框架，为开发此类吸附材料奠定理论基础。此外，全面了解管理UES吸附的热力学和动力学有助于制定高效和坚固的UES材料。材料空间工程可以引入新的化学和物理功能，以增强UES系统中功能单元之间的界面尺度，从而实现卓越的UES材料。

（ii）UES材料固有的吸附和脱吸附周期往往会导致二次环境污染和材料本身的损坏。材料空间构造的应用成为缓解此类担忧的有效补救措施。通过利用机器学习算法来辨别支配UES材料吸附和脱吸附周期的基本参数，我们细致地优化了材料内的“成分-结构-性能”关系。这一努力最终导致了具有温度敏感和光敏开关的UES材料的开发，从而建立了量身定制的“成分-结构-性能”关系。在“开”状态下，这些材料有效地从海水中提取铀，而在“关”模式下，它们促进了快速脱吸，从而有效防止了脱吸剂的二次污染，并最大限度地减少了对UES材料的损坏。

（iii）评估工业应用的一个不可或缺的方面包括对真实海洋条件下在实验室环境中开发的各种铀吸附剂的性能进行现场验证。现场数据是评估实际海水环境中吸附剂的吸附能力、选择性和耐久性的宝贵资产。此外，该数据集促进了吸附剂结构参数的微调和部署协议的完善，从而促进了有效的UES系统的建立。

（iv）确保UES系统的经济可行性需要不断改进吸附剂性能，电化学、光化学和生物提取等有前途的技术提供潜在的解决方案。整合电能、光能或生物能等辅助能源可以提高吸附率和容量，尽管在实施前需要进行大规模测试和能源评估。尽量减少吸附剂的生产成本也至关重要，技术进步加上吸附能力的提高，有望随着时间的推移降低成本。尽管做出了这些努力，但UES系统目前仍然比传统的铀矿开采成本更高，因此必须解决生产成本和大规模部署的经济负担，通过将UES与风能和潮汐能等海上能源技术相结合来减轻这些负担。

归根结底，未来的UES研究必须解决与工业应用和成本效益相关的挑战。通过采用功能引导材料设计原理和利用材料空间构造，可以克服UES材料设计中的现有限制，从而提高吸附性能。此外，包括电化学、光化学和生物提取方法在内的技术的出现为提高铀提取效率提供了有希望的途径。从商业角度来看，为海洋现场现场测试建立基础设施对于进行彻底的成本效益分析和绘制UES实施的可行路径至关重要。

文献链接

https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.156783

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