中科院青岛能源所研发海水提铀新材料：复合气凝胶微球兼顾高容量与抗生物污损

据 IT之家 9 月 2 日消息，中国科学院青岛生物能源与过程研究所近期宣布，其研究团队在海水提铀材料方向取得系列进展：团队将离散分子拓扑设计引入多孔有机笼体系，合成出磷酸功能化材料 PhosCage，并进一步与芳纶纳米纤维复合，制备出复合气凝胶微球 AC-POC。相关成果已发表于《危险材料杂志》和《分离纯化技术》。从应用目标看，这项研究指向核能产业上游资源获取难题，试图为低浓度、复杂海水环境中的铀资源捕获提供更高效材料方案。

从 PhosCage 到 AC-POC：材料设计瞄准真实海水难题

核能被视为高能量密度的基荷能源，在碳中和路径中具有重要意义。但来源显示，陆地铀资源消耗正在对核工业可持续发展形成约束。海洋中蕴藏约 45 亿吨铀资源，规模接近陆地含铀矿石的千倍，不过真正把海水中的铀“取出来”并不容易：真实海水中铀浓度极低，约为 3.3 ppb，同时还存在钒离子等共存离子竞争、生物附着、界面传质阻力等工程化障碍。

青岛能源所团队提出的路径，是在多孔有机笼的层间纳米空间内定向构建磷酸吸附簇，制备出首例磷酸功能化多孔有机笼材料 PhosCage。据介绍，在实验室条件下，PhosCage 仅需 5 分钟即可达到吸附平衡；在多个海域真实海水样品中，其最高提铀容量达到 50.4mg/g，为美国能源部相关基准的 8.4 倍。

不过，粉末材料在海洋场景中往往面临部署和回收困难。为进一步接近实际工程应用，研究团队将 PhosCage 与芳纶纳米纤维结合，通过物理缠结与化学锁定协同的方式，制备出复合气凝胶微球 AC-POC。该微球内部具有连通孔隙通道，交织分布的磷酸根和羧基形成协同供电子配位环境，可降低铀酰离子配位能垒，从而提高捕获效率。

关键指标：选择性、容量与抗污能力同步提升

对于海水提铀材料而言，单一吸附容量并不足以说明其可用性。真实海水环境包含复杂离子体系和微生物环境，材料需要同时具备选择性、稳定性和抗污染能力。来源显示，AC-POC 在多离子竞争体系中表现出较高选择性；在天然海水中连续运行 15 天后，其动态提铀容量为 22.55mg/g，达到美国能源部相关基准的 3.8 倍。

• 高选择性：在多离子竞争环境下，材料仍能优先捕获铀酰离子。
• 高容量：PhosCage 在真实海水样品中的最高提铀容量达到 50.4mg/g。
• 更适合部署：AC-POC 以气凝胶微球形态存在，相比粉末材料更接近工程应用需求。
• 抗生物污损：微球表面负电荷有助于抑制微生物附着和生物膜形成。

影响解读：能源材料创新正在走向“可工程化”

这项研究的意义不仅在于刷新实验室吸附指标，更在于把材料设计从“能吸附”推进到“能在真实环境中工作”。海水提铀长期面临浓度低、干扰多、材料易污染等问题，若材料不能在海洋环境中长期保持性能，即便实验室数据亮眼，也难以转化为产业能力。AC-POC 对形态、孔道、配位环境和抗污表面的综合设计，体现了面向工程部署的材料系统思路。

从科技产业角度看，海水提铀仍处于长期探索阶段，距离大规模商业化还需要验证成本、耐久性、海上部署方式、回收流程以及环境影响等问题。但随着核能在低碳能源结构中的地位提升，上游资源安全的重要性会进一步上升。青岛能源所此次成果填补了多孔有机笼材料在海水提铀领域的空白，也为后续开发高抗污、高选择性、高容量的可持续吸附材料提供了新的设计参考。