核能已成为解决全球快速增长的能源需求的核心方案，作为核反应堆最基本的资源之一，陆地铀矿含量已证实相当有限且会在一个世纪内耗尽。据统计，全球海水约含有45亿吨铀，是陆地铀资源的近千倍。从海水中有效地提取铀酰离子（UO₂²⁺）是核工业未来发展的战略重点，“海水提铀”也入选了中国科协发布的“2022重大问题难题”。在众多铀吸附剂中，聚合物纤维因其易于工业制备、化学稳定性良好、对海洋盐度的耐受性高，是一种很有前途的宏观铀吸附剂。但受限于功能位点密度低及对铀酰离子亲和力弱等问题，且传统的聚合物纤维通常在微米级的较大直径，抑制了此类纤维的铀提取性能。

近日，东北师范大学赵锐副教授等在期刊《Chemical Engineering Journal》上，发表了最新研究成果“Enhanced and selective uranium extraction onto electrospun nanofibers by regulating the functional groups and photothermal conversion performance”。该研究报道了超支化偕胺肟基团改性的光热静电纺纤维（AOPEI-C-PAN纤维，相关制备流程如图1）用于海水高效提取铀。

通过将碳纳米管（CNTs）掺入静电纺纤维中，引入光热特性，通过光热增加功能基团利用率以及吸附性能。同时，Ag纳米颗粒也可以被负载到碳纳米管上，赋予纤维抗菌活性，从而防止生物结垢。超支化接枝可以提高偕胺肟基的含量，同时引入辅助基团（氨基）。结果表明，经过28 d的模拟日光照射后，真实海水测试中纤维吸附剂的铀提取量达到9.54 mg g⁻¹，比黑暗照射条件下的铀提取量提高了62.0 %，有望成为一种经济、高效和防生物污损的铀吸附剂。

图1. 超支化偕胺肟基团改性的光热静电纺纤维的制备工艺示意图。

图2. AOPEI-C-PAN纳米纤维的相关表征。

图3. 静电纺纤维掺杂CNTs前后光热转换性能评价。

如图2所示，均一连续的长纳米纤维中掺杂有大量的碳纳米管（CNTs）结构，这些CNTs均匀分散在纤维中能有效吸收太阳光、实现光热转换（图3）。在经过一系列反应后，FT-IR、XPS表征证明了超支化偕胺肟基团的成功改性，同时反应后的纤维膜具有良好的亲水性，保证了其在水溶液中的吸附过程可以顺利进行。

图4. AOPEI-C-PAN纳米纤维相关吸附性质： a) pH影响， b) 动力学实验， c) 等温吸附实验， d) 光热吸附剂性能对比图， e) 离子竞争吸附， f) 脱附速率图， g) 循环利用性。

如图4a-c所示，光照条件下的各项吸附性能要远超过黑暗条件。宽pH范围下，铀的吸附能力的提高表明光热增强铀吸附策略适用于不同形式的铀酰离子。同时铀酰吸附动力学的增强是由于AOPEI-C-PAN纤维的光热转化能力诱导了纤维局部温度升高和有效的水蒸发，这在很大程度上改善了铀酰离子向吸附位点的扩散和传质。等温吸附也表明该过程是的最大吸附容量要高于大部分报道铀吸附剂（图4d）。图4e-g进一步表明AOPEI-C-PAN纳米纤维在具有良好的选择性，同时也具有很好的循环稳定性。

图5. AOPEI-C-PAN纳米纤维铀吸附机理分析。

上述吸附结果表明，光热效应从物理角度增强了吸附过程，研究者进一步探究了AOPEI-C-PAN纤维与铀酰离子之间的化学结合机制（图5）。在AOPEI-C-PAN纤维中引入超支化结构，不仅提高了偕胺肟基团的含量，而且利用了氨基与偕胺肟基团的协同作用。与只含有偕胺肟基团的纳米纤维相比，AOPEI-C-PAN纤维在铀酰离子/钒酸根离子共存的情况下表现出较高的铀移除率和良好的U/V选择性，U/V选择性系数高达85.8。研究结果进一步证实了氨基在辅助铀配位中的重要作用，在这一协同过程中，氨基可以作为氢键受体，促进偕胺肟基团稳定且选择实现铀酰螯合，增加了偕胺肟基团对于铀酰离子的结合能和选择性。

图6. AOPEI-C-PAN的抗菌活性以及真实海水提铀性能。

由于CNTs上引入了银纳米离子，AOPEI-C-PAN纳米纤维对于大肠杆菌和金黄葡萄球杆菌表现出良好的抗菌性，可以使吸附剂在复杂的海洋环境中抵抗生物污染。以真实海水作为研究对象，AOPEI-C-PAN纳米纤维在模拟太阳光条件下对于铀的t提取量可以达到9.54 mg g⁻¹，是黑暗照射条件下的1.6倍。相关研究对于构建高效纤维吸附剂进行了合理的设计，为解决海水提铀难题提供了一种方案。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.148108

人物简介：

赵锐，东北师范大学副教授，硕士生导师。研究工作涉及纳米纤维的功能改性、可成型多孔骨架材料的设计合成及其在分离领域的应用。近些年在ACS Central Science、Advanced Functional Materials、Advanced Science、Nano Research等国内外学术期刊上发表第一（通讯）作者SCI论文30余篇，H指数29；撰写英文学术著作其中一章节；授权专利5项。主持国家自然科学基金项目（青年、面上）、吉林省科技厅项目、吉林省教育厅项目、中国博士后基金面上项目等项目8项。获得2023 年度吉林省高等学校优秀科研成果，入选2023年度斯坦福大学“全球前2%顶尖科学家榜单”。