海南大学王宁教授、袁益辉研究员《自然·通讯》：仿生多级孔道材料突破海水提铀瓶颈！

海洋中蕴藏着约45亿吨铀，是陆地铀储量的上千倍，被视为核能可持续发展的潜在宝库。然而，海水中铀浓度极低（约3.3 ppb），且存在大量竞争离子，使得高效、经济地提取铀成为一项巨大的科学和技术挑战。现有的海水铀吸附材料，特别是主流的聚偕胺肟（PAO）类材料，普遍存在宏观结构不佳、传质受限以及功能基团利用率低等问题，限制了其大规模实际应用。

近日，海南大学王宁教授、袁益辉研究员课题组报道了一种受自然界启发的蜂窝状聚偕胺肟吸附剂（HTC-PAO），它通过独特的分级三重通道结构，成功解决了上述难题。这种材料具有毫米级蜂窝主通道、亚毫米级横向通道和固有的微孔，厚度可达传统水凝胶的百倍，兼具优异的机械稳定性和吸附性能。在无需外部能量输入的情况下，该材料在35天内实现了14.69 mg/g的铀吸附容量，展现出高效、可扩展的海水提铀潜力。相关论文以“Hierarchical triple-channel architectures unlock scalable and high-ef fi cient uranium extraction from seawater”为题，发表在

Nature Communications

这项研究的灵感来源于高效输送水分和养分的植物叶脉，以及具有薄壁六边形排列通道的天然蜂巢结构（图1a）。研究人员据此设计并制备了具有类似蜂窝状多级孔道网络的块体吸附剂。扫描电镜（SEM）图像清晰揭示了HTC-PAO的三重互联通道结构：六边形纵向主通道（约5毫米）、横向圆形通道（约100微米）以及固有的聚偕胺肟微通道（约2.5微米）（图1b）。这种设计打破了传统材料致密网络对传质的束缚。

图1 | 受自然启发的蜂窝状分级多孔通道吸附剂示意图及形貌表征。 a 受自然启发的蜂窝状分级多孔通道网络模型的建立过程。b HTC-PAO的SEM图像。

材料的吸附性能很大程度上取决于铀酰离子从海水抵达吸附位点所面临的传质阻力。图2a-c通过示意图和对比分析，阐释了不同通道结构对传质过程的影响。仅具微孔的传统材料（IM-PAO）外表面小、扩散路径长且曲折，传质阻力大。引入大蜂窝孔道（LP-PAO）能增加外表面、缩短扩散深度，但曲折度仍高。而具有分级三重通道的HTC-PAO则能同时有效缩短扩散深度、降低路径曲折度，并显著增加可供吸附的内表面积，从而全面降低了表面阻力、扩散阻力和反应阻力，实现了传质效率的极大提升。

图2 | 不同通道结构吸附剂的传质机制。 a 吸附过程中铀酰离子传输示意图。b 蜂窝状孔与圆形孔的外表面积和最大扩散深度对比。c 吸附剂从初级到分级孔结构的形貌演变及其对传质的增强作用。

研究人员通过一系列实验验证了HTC-PAO的优异特性（图3）。压汞法测试表明其孔体积显著高于对比材料，且进-退汞曲线的分离证实了其内部孔道连通性更好（图3a）。染料溶液渗透实验直观显示，HTC-PAO的海水输运速度最快（图3b），这与其极佳的亲水性相符。在模拟海水中，HTC-PAO的铀吸附容量在pH=6时达到峰值，并在整个pH范围内均优于对比材料（图3d）。吸附动力学和等温线研究进一步表明，其吸附过程更符合伪二级动力学模型和Langmuir等温模型，说明是以化学吸附（配位作用）为主，且理论最大吸附容量显著提高（图3e, h, i）。X射线光电子能谱（XPS）在吸附后的材料表面检测到了铀的特征峰，直接证实了铀的成功吸附（图3f, g）。

图3 | 模拟海水中材料表征及吸附性能。 a IM-PAO、LP-PAO和HTC-PAO的压汞法分析。b IM-PAO、LP-PAO和HTC-PAO的海水输运能力测试。c HTC-PAO的机械性能展示。d IM-PAO、LP-PAO和HTC-PAO的铀吸附容量随pH变化曲线。e HTC-PAO在模拟海水中的铀吸附动力学。f HTC-PAO吸附铀前后的XPS全谱。g HTC-PAO吸附后U 4f的高分辨XPS谱图。h IM-PAO、LP-PAO和HTC-PAO的铀吸附动力学数据及伪一级、伪二级模型拟合曲线。i HTC-PAO的平衡吸附特性：Freundlich和Langmuir等温模型拟合曲线。

为了从机理上深入理解分级孔道结构的作用，研究团队利用COMSOL Multiphysics软件进行了流体动力学与传质模拟（图4）。模拟结果直观显示，具有蜂窝主通道和分级孔道的材料（LP-PAO和HTC-PAO）内部流动更为通畅，减少了流体绕流，显著增加了铀酰离子向材料内部的扩散深度（图4a, b）。模拟预测的吸附容量与实验数据吻合良好（图4c）。通过对模拟数据的深入分析，量化了不同材料的各项传质阻力，再次确认扩散阻力是主要限制因素，而HTC-PAO的分级结构能有效降低该阻力（图4d-f）。

图4 | 不同吸附剂吸附过程的COMSOL模拟。 a IM-PAO、LP-PAO和HTC-PAO的流速场云图。b IM-PAO、LP-PAO和HTC-PAO的吸附浓度云图对比。c 模拟结果与实验数据对比图。d-f IM-PAO、LP-PAO和HTC-PAO吸附过程中铀酰离子的传质阻力分析。总传质阻力由三部分组成：外表面的对流传递阻力、多孔吸附剂内部的扩散传递阻力以及吸附界面的表观反应阻力。

在实际应用性能方面，HTC-PAO表现突出（图5）。在含多种竞争离子的模拟海水中，其对铀展现出优异的选择性吸附能力（图5a）。更重要的是，在真实海水循环测试中，HTC-PAO在35天后达到了14.69 mg/g的铀吸附容量，分别是IM-PAO和LP-PAO的2.40倍和1.42倍，且吸附速率更快（图5b, c）。与已报道的宏观聚偕胺肟吸附剂相比，其性能位于前列（图5d）。此外，该材料经过五次吸附-脱附循环后，仍能保持较高的吸附容量和脱附率，展示了良好的可重复使用性和经济性潜力。

图5 | 材料选择性及在天然海水中的吸附性能。 a 通过模拟海水体系研究IM-PAO、LP-PAO和HTC-PAO的吸附选择性。b IM-PAO、LP-PAO和HTC-PAO在天然海水中的铀吸附能力。c IM-PAO、LP-PAO和HTC-PAO在天然海水中的铀吸附动力学。d 现有偕胺肟类吸附剂在天然海水中铀吸附容量的文献报道汇总。

综上所述，这项研究通过仿生设计，成功构建了一种具有分级三重通道结构的块体吸附材料，从根本上改善了海水提铀过程中的传质问题。该材料不仅厚度大、机械性能好、易于海洋环境部署与回收，而且在真实海水中展现了高吸附容量、快吸附速率、优异选择性和良好可重复使用性。这项工作为开发高效、可扩展的海水铀提取技术提供了创新思路和重要的材料基础，有望推动海水铀资源这一近乎无限宝库的可持续利用，为保障未来核能燃料供应、助力碳中和目标实现贡献力量。