闻利平课题组利用仿生分级多孔膜实现高效海水提铀

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当今世界能源需求不断攀升，核能作为清洁能源，是应对能源危机的重要手段之一。铀是核能发展必不可少的元素，而我国是一个贫铀国家，这使得铀资源的开发充满挑战。
　　海水中铀的蕴藏量超过了40亿吨，相当于陆地铀矿储量的一千倍，从海水中有效提取铀将助力我国核工程领域长久发展。然而由于海水中的铀浓度相对较低（~3.3 ppb），因此，开发出选择性好、吸附容量高、可重复使用的海水提铀吸附剂尤为重要，也是这一领域的重要挑战。
　　固有微孔聚合物因其高比表面积与丰富的吸附位点在吸附领域具有广阔前景，然而微孔内较高的传质阻力常常会导致离子扩散受阻，表现出的吸附性能不尽如人意。自然界中存在大量的分形结构，如动物血管、植物导管等。这些分形结构可以以最小的能量消耗在最大程度上实现物质交换与传递。受此启发，通过将分级多孔结构引入吸附剂内部，可以有效解决离子在三维无序的微孔内扩散受阻的问题。

图1. 海水提铀仿生分级多孔膜设计示意图

　　中科院理化所仿生智能界面科学中心闻利平课题组开发了一种基于固有微孔聚合物的仿生分级多孔吸附膜。其中逐级递减的孔径结构允许铀酰离子在膜内快速扩散，进而充分利用微孔内丰富的吸附位点。测试表明该分级多孔膜可以将吸附容量提升至原来的20倍。此外，该膜也在天然海水中进行了为期四周的吸附测试，结果显示其吸附容量达到了9.03mg/g，处于世界领先地位。这项工作提出的微结构设计方案可以同时推广到一大类微孔聚合物吸附剂设计中，以实现核能原料的可持续提供。
　　闻利平及其团队成员一直致力于仿生微纳孔材料的制备及应用探索。通过研究和设计各种仿生微纳孔材料，揭示孔道内物质运输的规律，从而调控微孔材料内部物质传输性能，使其适用于海洋渗透能转化、离子筛分与富集等相关领域。
　　该研究以“Bioinspired Hierarchical Porous Membrane for Efficient Uranium Extraction from Seawater”为题发表于Nature Sustainability，为海水提铀研究提供了新思路。论文的第一作者为中国科学院理化技术研究所博士生杨林森。上述工作得到了理化所仿生智能界面科学中心江雷院士的悉心指导。
　　该研究得到国家重点研发计划和国家自然科学基金的大力支持。
　　论文信息：
　　Yang, L., Xiao, H., Qian, Y. et al. Bioinspired hierarchical porous membrane for efficient uranium extraction from seawater. Nat. Sustain. (2021). https://doi.org/10.1038/s41893-021-00792-6


      文章来源：理化所
       闻利平，男，满族，中共党员，现任中国科学院理化技术研究所研究员，中国科学院大学未来技术学院教授，博士生导师，2016年获得国家杰出青年基金资助。近五年代表性论文如下：Angew. Chem. Int. Ed. 4篇，J. Am. Chem. Soc. 2篇和Adv. Mater. 10篇，Science Advances 1篇。指导学生多次获得奖学金，包括“国家奖学金”、“朱李月华奖学金”、“唐敖庆奖学金”等。主持或作为骨干主持多项基础或重大研究计划项目。