分级三通道架构解锁海水铀提取的可扩展性与高效性

《Nature Communications》：Hierarchical triple-channel architectures unlock scalable and high-efficient uranium extraction from seawater

　　本研究针对当前海水铀吸附剂宏观结构差、传质受限和功能基团利用率低等挑战，开发了一种仿生蜂窝状聚偕胺肟吸附剂（HTC-PAO），其独特的分级三通道结构（毫米级蜂窝通道、亚毫米横向通道和固有微孔）将吸附剂厚度提升至传统水凝胶的100倍，在无外源能量输入条件下实现35天铀吸附容量14.69 mg/g，并通过COMSOL模拟验证了层流加速（Re=922.50）与扩散增强（Deff=6.96×10-9 m2/s）的协同传质路径，为核能燃料可持续供给提供了关键技术突破。

　　

海洋中蕴藏着约45亿吨铀资源，相当于陆地铀矿储量的1000倍，被视为核能可持续发展的关键储备。然而海水中铀浓度极低（仅3.3 ppb），且存在大量竞争离子，使得高效提取成为世纪难题。传统聚偕胺肟（PAO）水凝胶虽具有优异选择性，但其三维交联网络会束缚水分子，显著降低铀酰离子（UO₂²⁺）扩散速率，导致功能基团利用率低下。更棘手的是，为提升传质效率而设计的超薄薄膜（100 μm）或超细纤维（250 nm）材料又面临机械强度差、难以实际部署的困境。这一矛盾促使研究人员从自然界寻找灵感——植物叶脉的分级输运网络与蜂巢的六边形薄壁结构，为设计兼具高强度与高效率的吸附剂提供了仿生学启示。

海南大学王慧团队通过模板法与定向冻融技术相结合，成功构建了具有分级三通道架构的蜂窝状聚偕胺肟吸附剂（HTC-PAO）。该材料厚度达10 mm，是传统超薄水凝胶的100倍，其结构包含三个层次：5 mm六边形纵向通道、100 μm横向圆形通道和2.5 μm固有微孔。这种设计不仅赋予材料优异的机械性能，更通过实验与模拟验证了其传质优势：宏观通道内形成高速层流（雷诺数Re=922.50），微通道内有效扩散系数（D_eff=6.96×10^-9 m²/s）达到传统材料的4倍，显著降低了扩散阻力（R_diff）。在35天自然海水吸附实验中，HTC-PAO的铀吸附容量达到14.69 mg/g，分别是微孔结构（IM-PAO）和大孔结构（LP-PAO）的2.40倍和1.42倍，且具备91.3%的脱附率和5次循环稳定性。该研究成果发表于《Nature Communications》，为海水铀资源规模化开发提供了新范式。

关键技术方法包括：1）通过肟化反应合成聚偕胺肟（PAO）基础材料；2）采用硅胶模具与黄铜框架结合定向温度梯度冷冻技术构建分级孔道；3）利用扫描电镜（SEM）、汞侵入孔隙度测定法（MIP）和X射线光电子能谱（XPS）进行结构表征；4）通过COMSOL Multiphysics建立双物理场耦合模型模拟吸附动力学；5）使用天然海水循环系统（200 L海南海口沿岸海水）进行实际环境验证。

材料制备与形貌分析

通过调控冷冻干燥条件制备三种不同孔道结构的吸附剂：直接交联的IM-PAO仅保留固有微孔；LP-PAO具有毫米级蜂窝孔但缺乏横向通道；HTC-PAO则形成互联的三级通道网络。SEM图像清晰显示其六边形纵向通道壁厚约500 μm，横向通道与微孔相互贯通，为快速传质奠定结构基础。

传质机制分析

铀酰离子吸附过程受表面对流阻力（R_surf）、孔内扩散阻力（R_diff）和界面反应阻力（R_react）共同控制。理论计算表明六边形孔道设计使外表面积（A_ext）较圆形孔提升1.55倍，最大扩散深度（δ_max）显著降低。HTC-PAO通过分级孔道同步减小扩散深度与曲折因子（τ），使R_diff降低至IM-PAO的1/3以下，同时横向孔将吸附表面积（A_sorb）提升至传统材料的2倍以上。

模拟海水吸附性能

汞孔隙度测试显示HTC-PAO孔体积是IM-PAO的1.5倍，罗丹明B溶液渗透实验证实其海水传输速度达7.8 mm/s。在pH=6的模拟海水中，HTC-PAO对8 ppm铀溶液的平衡吸附容量达779.28 mg/g，伪二级动力学模型拟合优度（R²>0.99）表明化学吸附主导过程。XPS谱中U 4f_7/2（381.65 eV）和U 4f_5/2（392.36 eV）特征峰证实铀与偕胺肟基团的配位作用。

吸附动力学数学模型

COMSOL模拟显示HTC-PAO的铀酰离子扩散深度较LP-PAO提升99.48%，浓度云图证实分级孔道促进铀离子深入材料内部。传质阻力定量分析表明R_diff占总阻力70%以上，而HTC-PAO通过降低δ和τ使R_diff显著下降，模拟与实验数据误差小于7%。

可再生性与实际海水性能

采用1M Na₂CO₃/0.1M H₂O₂脱附体系，HTC-PAO在5次循环后仍保持671.55 mg/g吸附容量。在含钒（V）、锰（Mn）等竞争离子的模拟海水中，铀吸附选择性达其他离子的3倍以上。35天天然海水实验最终吸附量14.69 mg/g，较现有无外源能量输入吸附剂提升显著。

该研究通过仿生设计实现了宏观结构与微观传质的协同优化，解决了海水铀提取领域长期存在的“高吸附容量”与“实际部署可行性”之间的矛盾。HTC-PAO材料在保持机械强度的同时，通过分级通道网络将传质效率提升至传统材料的4倍，且无需外源能量输入即可实现规模化海水铀提取。这一突破不仅为核燃料可持续供应提供了技术保障，其分级孔道设计理念对化工分离、环境治理等领域的传质强化也具有普适性指导意义。