近日，一項關于從海水中高效提取鈾的研究成果在《可持續碳材料》上發表，引起了能源與材料科學領域的廣泛關注。該論文題為《通過結構幾何與功能活性位點修飾實現共價有機框架對海水中鈾的超高提取》，由濰坊大學的臺夕市教授與華北電力大學的孫振麗共同主導完成。研究團隊通過精巧的分子結構設計，顯著提升了從海水中提取鈾的效率和選擇性，為未來核燃料的可持續供應開辟了新路徑。

為什么要從海水中“淘鈾”？

核能作為一種清潔、高效的能源，在實現“碳達峰”與“碳中和”目標中扮演著重要角色。然而，核電站所使用的燃料——鈾，在地球上的陸地儲量僅能維持當前需求約70年。相比之下，海洋中蘊藏著約45億噸鈾，足以支撐人類數千年的核能發展。可惜的是，海水中鈾的濃度極低，且含有大量其他金屬離子和微生物，如何高效、經濟地提取鈾，一直是全球科學家面臨的難題。

“精準定制”的分子陷阱

在這項最新研究中，科學家們使用了一種名為“共價有機框架”（COFs）的多孔材料。這類材料結構可調、表面可修飾，是吸附分離領域的明星材料。研究團隊特別設計了一種帶有磺酸基團（一種能強力捕獲金屬離子的化學單元）的COF材料，并通過精確控制化學反應條件，成功調控其分子層之間的堆疊方式，構建出兩種不同的結構：一種是普通的AA堆疊，另一種是新穎的AB堆疊。

圖說：a：兩種不同堆疊方式的S-COF材料（AA和AB）的頂部和側面視圖。AA堆疊像平鋪的盤子，而AB堆疊像錯開擺放的盤子，后者自然形成了更復雜的“小口袋”。

b：在一天內從海水中提取鈾的能力，與目前報道的其他17種材料進行對比。

c： 結構驗證圖

關鍵的實驗突破在于，AB堆疊模式像一個精心設計的“分子陷阱”。它形成了一個大小約0.9納米的空腔，腔內四個磺酸基團在空間中排布，恰好能容納一個鈾酰離子（海水中鈾的存在形式），并與之形成穩定的四面配位結構。

這種設計就像是為鈾離子“量身定制的鎖孔”，只對目標離子高效捕獲，而對其他干擾離子（如釩、鐵、鎂等）“視而不見”。

實驗驗證：

強吸附、高選擇性、結構清晰

為了驗證這種材料的性能，研究團隊進行了一系列實驗：

真實環境吸附測試：

研究人員將制備好的S-COF-AB材料直接放入真實的天然海水中進行測試。結果令人振奮：在短短24小時內，每克材料就能吸附高達31.5毫克的鈾。與其他18種已報道的先進材料相比，其提取能力一騎絕塵。更重要的是，它對鈾的主要競爭對手——釩離子的選擇性高達1000倍，有效避免了干擾。

微觀結構“拍照”與驗證：

鈾離子被抓住后，究竟是以什么姿態待在“口袋”里的？為了“看”清這一點，團隊使用了同步輻射X射線吸收精細結構譜（XAFS） 這種高精尖技術。分析結果清晰地顯示，鈾離子在材料口袋中與四個氧原子結合，其鍵長和配位環境與標準鈾化合物UO?(NO?)?·6H?O高度一致。這就像是通過“分子指紋”比對，直接證實了“四配位口袋”的成功構建。

計算機模擬揭示吸附本質：

實驗現象的背后是深刻的原理。團隊通過密度泛函理論（DFT）計算，在計算機中模擬了不同離子與材料結合的微觀過程。計算結果顯示：

鈾酰離子在AB堆疊材料中的吸附能高達-9.83 eV，表明結合非常牢固。

作為對比，在AA堆疊材料中，吸附能僅為-6.60 eV。

而對于鈉、鎂、鐵、釩等干擾離子，它們在AB堆疊材料上的吸附能都極小（低于-0.71 eV）。

這些數據有力地證明了這個“口袋”對鈾是“深情擁抱”，對其他離子只是“輕輕碰一下”，從物理本質上解釋了其超高選擇性的原因。

從實驗室走向海洋

盡管在實驗室中取得了令人振奮的結果，但要實現海洋鈾提取的大規模應用，仍面臨成本、材料穩定性和抗生物附著能力等多重挑戰。研究人員指出，理想的海洋鈾提取材料不僅要有高吸附能力，還應具備可重復使用、環境友好、易于工業化生產等特性。

這項研究的意義在于，它首次提出了“堆疊模式工程”這一概念，為未來設計具有高選擇性吸附能力的材料提供了全新思路。隨著材料科學與工程技術的不斷進步，從海水中提取鈾或許將成為核燃料供應鏈中的重要一環，為人類能源結構的綠色轉型提供有力支撐。

編輯：吳歐

論文信息

發布期刊 Sustainable Carbon Materials

發布時間 2025年11月6日

論文標題 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）