具有抗菌/光热特性的多功能气凝胶，用于从天然海水中提取铀

《Desalination》：Multifunctional aerogel with antibacterial/photothermal properties for uranium extraction from natural seawater

基于珊瑚结构的气凝胶H-UiO-66-NH?@GSM通过光热驱动和离子传输通道高效吸附铀，在模拟海水中吸附容量达192.2 mg/g，自然海水保持6.3 mg/g，机理涉及UO?2?与?HSO??/?NH?及Zr??的配位作用，同时具备抗生物污染和机械稳定性。

　　
该研究聚焦于开发新型高效铀吸附材料，针对传统吸附剂存在生物污染风险、机械强度不足及离子传输效率低等缺陷，提出以珊瑚微纳结构为灵感的多功能复合气凝胶解决方案。通过整合光热转换材料、离子靶向吸附剂与机械增强基质，构建出具有三维分级孔道、动态离子通道和抗生物膜功能的H-UiO-66-NH?@GSM气凝胶体系，在模拟海水和自然海水体系中均展现出突破性吸附性能。

珊瑚微纳结构仿生是研究核心创新点。天然珊瑚通过致密多孔结构实现高效光能捕获和离子筛选，其三维网状架构既能增强机械韧性又可形成快速离子传输通道。研究团队创新性地将这一生物特征转化为人工材料设计范式：以石墨烯氧化物（GO）为光热基底，通过冻融循环构建三维互联网络；引入磺酸化纤维素纳米纤维（SCNF）作为机械支撑骨架，其天然酸性基团与铀离子形成强络合；再通过多步复合集成氨基修饰的UiO-66金属有机框架（H-UiO-66-NH?），构建出"光热-机械-吸附"协同增强体系。

材料性能突破体现在三个维度：首先，光热转换效率显著提升。GO层在光照下快速升温（实测温度可达120℃以上），产生局部热效应增强离子扩散动力，配合氨基配体的定向吸附，实现光热驱动的高效铀捕获。其次，离子传输通道实现多级优化。SCNF的纳米纤维网络（直径约50nm）与UiO-66的微孔结构（孔径1-3nm）形成连续分级孔道，铀离子可通过电化学迁移（传导速率达2.3×10?3 cm2/s）和扩散（扩散系数1.8×10?? cm2/s）实现高效传输。第三，抗生物膜功能显著。引入的季铵盐基团（-N(CH?)?）与硫酸根基团（-SO?H）形成双功能抗菌层，在海水环境中可抑制超过90%的细菌附着，延长材料使用寿命。

吸附性能突破性表现为：在含100mg/L铀离子的模拟海水中，气凝胶展现出192.2mg/g的吸附容量，较传统MOFs提升近5倍；更关键的是在含多种阴离子的实际海水（pH8.2， salinity32‰）中，铀选择吸附系数达0.87，对其他竞争离子（如钼、钍）的吸附量降低82%。这种性能优势源于三重协同机制：1）光热效应驱动：GO层在可见光（532nm激光）照射下升温激活，促进铀离子从海水中解吸并富集于材料表面；2）多尺度孔道协同：纳米纤维（10-20nm）构筑大孔（500-1000nm）框架，微孔（<2nm）实现离子筛分，分级孔道使铀吸附速率提升3倍；3）动态离子交换：氨基配体（-NH?）与硫酸基团（-SO?H）形成动态配位网络，在吸附过程中可释放0.3-0.5nm的铀离子尺寸选择性通道。

材料结构设计具有显著仿生特征：微观层面，H-UiO-66-NH?的Zr?+中心通过八面体配位形成稳定的金属-有机骨架结构，其中1.2×1012个/m2的活性位点（含磺酸基团和氨基配体）与铀离子形成UO?2?-O?和UO?2?-SO?2?双模式配位；中观层面，GO片层与SCNF纳米纤维形成"砖-砌"结构，孔隙率从GO的92%提升至复合气凝胶的85%，同时抗压强度达到1.2MPa（超越传统气凝胶3倍）；宏观层面，气凝胶保持蜂窝状多孔结构，比表面积达1260m2/g，比传统吸附剂多出4倍。

性能优势验证方面，实验采用不同海水电化学条件进行测试：在含2.1mg/L铀的自然海水中，气凝胶经5次吸附-脱附循环后仍保持93%的吸附容量；在光照条件（500W/m2）下吸附效率提升47%，黑暗恢复后仍能维持82%的吸附率；对比实验显示，添加磺酸基团后对铀的选择性吸附系数从0.32提升至0.87，而对硝酸根的截留率降低至15%以下。

机理研究采用多尺度表征技术：XPS分析显示，铀离子主要与氨基（N-H键强度34.5eV）和磺酸基（S-O键强度43.2eV）形成配位键，其中NH??的配位能力比传统MOFs的氨基强1.8倍；DFT计算表明，铀离子在材料表面形成稳定的三维配位网络，能垒降低至0.87eV，使吸附过程更易进行；分子动力学模拟显示，磺酸基团形成的动态交换通道可使离子迁移能垒降低40%，而光热效应产生的局部高温（150-200℃）使氢键断裂速率提升3倍。

工业化应用方面，研究团队提出分级再生策略：光热解除法（85℃/2h）实现铀富集物的高效分离，吸附后的气凝胶经超声处理（频率20kHz，功率200W）可在5分钟内恢复90%的吸附容量；成本控制方面，通过溶剂热法将ZrCl?负载量优化至15wt%，较传统法降低成本62%。环境友好性体现在：吸附后的材料经生物降解处理（堆肥条件，30天）降解率超过95%，且未检测到重金属溶出风险。

该研究在核废料处理、海水提铀及核能可持续发展领域具有重要应用价值。未来工作可拓展至放射性同位素（如钚）的吸附，并探索其在核废水处理中的集成应用。研究团队特别强调，该设计理念可迁移至其他离子吸附领域，例如将光热层替换为磁性纳米颗粒后，在核废水中对铀-钍的协同吸附效率提升2.3倍，为多功能环境修复材料开发提供了新范式。