電被認(rèn)為是一種高效的清潔能源，正逐漸成為我國調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)經(jīng)濟和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展、促進產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級的重要保障。我國是全球核電站在建規(guī)模最大的國家。而我國已探明及推測的鈾礦資源總量僅為17.3萬噸，鈾燃料缺口近90%，嚴(yán)重依賴于進口。鈾礦資源的緊缺使得科學(xué)家們紛紛將目光轉(zhuǎn)向非常規(guī)鈾資源，如海水。海水中蘊藏著約45億噸鈾，相當(dāng)于全球陸地鈾礦儲量的一千倍。把海水中的鈾資源經(jīng)濟有效地利用起來，可成為我國核電事業(yè)與核力量穩(wěn)定發(fā)展的重要補充和保障。盡管海洋中鈾總量巨大，但其濃度低，共存離子多，海洋環(huán)境復(fù)雜，海水提鈾工業(yè)化一直面臨著巨大的挑戰(zhàn)。
近日，中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所海水提鈾團隊通過兩步接枝聚合技術(shù)制備了具有互連開孔結(jié)構(gòu)、納米顆粒和納米通道的聚偕胺肟（AO-OpNpNc）纖維吸附材料。這種具有高力學(xué)強度、高孔隙率、高比表面積和大量鈾螯合位點的功能化纖維材料能在海洋中無額外驅(qū)動力下自發(fā)吸附鈾酰離子。該材料制備成本低，工藝簡單，并且放置和打撈方便，是目前廣泛接受的最有望實現(xiàn)海水提鈾工業(yè)化的材料。相關(guān)工作作為背封面（Outside back cover）以題為“Ultrahigh and Economical Uranium Extraction from Seawater Via Interconnected Open-Pore Architecture Poly(amidoxime) Fiber?” （https://doi.org/10.1039/D0TA07180C）發(fā)表在國際材料學(xué)頂級期刊《Journal of Material Chemistry A》上（Selected as one of 2020 JMCA HOT Papers）。論文通迅作者為中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所馬紅娟副研究員和美國北德克薩斯大學(xué)的馬勝前教授。
圖1 （a）具有易放置、可打撈、低成本和超高鈾吸附容量的AO-OpNpNc纖維實現(xiàn)海水提鈾工業(yè)化概念圖；（b）AO-OpNpNc纖維中的互連開孔納米通道結(jié)構(gòu)有利于與大量海水充分接觸，從而使得鈾的吸附容量達到了17.57 mg/g。
研究團隊通過預(yù)輻射共接枝聚合結(jié)合化學(xué)引發(fā)共接枝聚合技術(shù)首次將高結(jié)晶度和高機械強度的超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維改造成一種具有互連開孔納米通道結(jié)構(gòu)和含有大量鈾鰲合位點納米顆粒的連續(xù)纖維材料。該材料具有高比表面積、高孔隙率、高機械強度和超高吸附容量特性。AO-OpNpNc纖維的納米顆粒粒徑約270 ± 2 nm，納米通道的孔徑約為80 ± 4 nm。這種特異性結(jié)構(gòu)暴露出豐富的鈾螯合位點，使AO-OpNpNc纖維具有超高的鈾吸附能力。材料在真實海水中對鈾的吸附容量達到17.57mg/g。超高機械強度的UHMWPE基材纖維的使用，使獲得的AO-OpNpNc纖維表現(xiàn)出344.0 MPa的高拉伸斷裂強度，遠(yuǎn)高于文獻報道的偕胺肟基吸附材料。超高的機械強度使材料的使用壽命達到了30次以上。綜合性能評估顯示，使用AO-OpNpNc纖維進行海水提鈾，提鈾的成本可降低到$80.70–86.25/kg-U，已經(jīng)與國際鈾價相當(dāng)。這種互連開孔納米通道結(jié)構(gòu)的高強度纖維不僅結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可控，而且經(jīng)濟高效，可大規(guī)模批量制備。研究團隊制備1 kg 的高性能纖維吸附材料于我國近海提取了5.6 g鈾。這種新型的海水提鈾用吸附材料有望實現(xiàn)海水提鈾工業(yè)化。從海洋中獲得核燃料的夢想將很快成為現(xiàn)實。
圖2 UHMWPE纖維改性前后的SEM-EDS和TEM圖
圖3 AO-OpNpNc纖維在模擬海水和真實海水中的對鈾的吸附性能
