海水“淘铀”关键材料突破，核燃料供给新路径 | 光锥读论文

近日，一项关于从海水中高效提取铀的研究成果在《可持续碳材料》上发表，引起了能源与材料科学领域的广泛关注。该论文题为《通过结构几何与功能活性位点修饰实现共价有机框架对海水中铀的超高提取》，由潍坊大学的台夕市教授与华北电力大学的孙振丽共同主导完成。研究团队通过精巧的分子结构设计，显著提升了从海水中提取铀的效率和选择性，为未来核燃料的可持续供应开辟了新路径。

为什么要从海水中“淘铀”？

核能作为一种清洁、高效的能源，在实现“碳达峰”与“碳中和”目标中扮演着重要角色。然而，核电站所使用的燃料——铀，在地球上的陆地储量仅能维持当前需求约70年。相比之下，海洋中蕴藏着约45亿吨铀，足以支撑人类数千年的核能发展。可惜的是，海水中铀的浓度极低，且含有大量其他金属离子和微生物，如何高效、经济地提取铀，一直是全球科学家面临的难题。

“精准定制”的分子陷阱

在这项最新研究中，科学家们使用了一种名为“共价有机框架”（COFs）的多孔材料。这类材料结构可调、表面可修饰，是吸附分离领域的明星材料。研究团队特别设计了一种带有磺酸基团（一种能强力捕获金属离子的化学单元）的COF材料，并通过精确控制化学反应条件，成功调控其分子层之间的堆叠方式，构建出两种不同的结构：一种是普通的AA堆叠，另一种是新颖的AB堆叠。

图说：a：两种不同堆叠方式的S-COF材料（AA和AB）的顶部和侧面视图。AA堆叠像平铺的盘子，而AB堆叠像错开摆放的盘子，后者自然形成了更复杂的“小口袋”。

b：在一天内从海水中提取铀的能力，与目前报道的其他17种材料进行对比。

c： 结构验证图

关键的实验突破在于，AB堆叠模式像一个精心设计的“分子陷阱”。它形成了一个大小约0.9纳米的空腔，腔内四个磺酸基团在空间中排布，恰好能容纳一个铀酰离子（海水中铀的存在形式），并与之形成稳定的四面配位结构。

这种设计就像是为铀离子“量身定制的锁孔”，只对目标离子高效捕获，而对其他干扰离子（如钒、铁、镁等）“视而不见”。

实验验证：

强吸附、高选择性、结构清晰

为了验证这种材料的性能，研究团队进行了一系列实验：

真实环境吸附测试：

研究人员将制备好的S-COF-AB材料直接放入真实的天然海水中进行测试。结果令人振奋：在短短24小时内，每克材料就能吸附高达31.5毫克的铀。与其他18种已报道的先进材料相比，其提取能力一骑绝尘。更重要的是，它对铀的主要竞争对手——钒离子的选择性高达1000倍，有效避免了干扰。

微观结构“拍照”与验证：

铀离子被抓住后，究竟是以什么姿态待在“口袋”里的？为了“看”清这一点，团队使用了同步辐射X射线吸收精细结构谱（XAFS） 这种高精尖技术。分析结果清晰地显示，铀离子在材料口袋中与四个氧原子结合，其键长和配位环境与标准铀化合物UO₂(NO₃)₂·6H₂O高度一致。这就像是通过“分子指纹”比对，直接证实了“四配位口袋”的成功构建。

计算机模拟揭示吸附本质：

实验现象的背后是深刻的原理。团队通过密度泛函理论（DFT）计算，在计算机中模拟了不同离子与材料结合的微观过程。计算结果显示：

铀酰离子在AB堆叠材料中的吸附能高达-9.83 eV，表明结合非常牢固。

作为对比，在AA堆叠材料中，吸附能仅为-6.60 eV。

而对于钠、镁、铁、钒等干扰离子，它们在AB堆叠材料上的吸附能都极小（低于-0.71 eV）。

这些数据有力地证明了这个“口袋”对铀是“深情拥抱”，对其他离子只是“轻轻碰一下”，从物理本质上解释了其超高选择性的原因。

从实验室走向海洋

尽管在实验室中取得了令人振奋的结果，但要实现海洋铀提取的大规模应用，仍面临成本、材料稳定性和抗生物附着能力等多重挑战。研究人员指出，理想的海洋铀提取材料不仅要有高吸附能力，还应具备可重复使用、环境友好、易于工业化生产等特性。

这项研究的意义在于，它首次提出了“堆叠模式工程”这一概念，为未来设计具有高选择性吸附能力的材料提供了全新思路。随着材料科学与工程技术的不断进步，从海水中提取铀或许将成为核燃料供应链中的重要一环，为人类能源结构的绿色转型提供有力支撑。

编辑：吴欧

论文信息

发布期刊 Sustainable Carbon Materials

发布时间 2025年11月6日

论文标题 Extra-high extraction of uranium from seawater by covalent organic frameworks through structure geometry and functional active site modification

(DOI：https://doi.org/10.48130/scm-0025-0007）