兰州大学研究团队在复杂体系中铀精准识别和高效捕获方面取得进展

从复杂海水体系中高效提取铀资源对核能可持续发展有重要作用，却面临多重技术挑战。首先，海水中不仅铀浓度极低（约3.3 ppb），还存在复杂的离子竞争环境。海洋环境中钒与铀具有相似的化学性质，导致二者在常规吸附过程中产生强烈竞争，难以分离开来，因此对传统偕胺肟基吸附材料带来较大挑战。其次，通过构建尺寸匹配的孔道和精准调控配位微环境的方法，可以改善材料的U/V选择性，但过于精确的构效设计往往会导致材料比表面积下降和活性位点密度降低。例如，严格的空间筛分效应会限制离子在限域孔道内的传质扩散，与客体离子尺寸高度匹配的孔道结构将导致部分吸附位点不易被利用，进而导致吸附容量降低。因此，如何兼顾对铀的精准识别和高效吸附是海水提铀领域亟待解决的问题。

近日，兰州大学科研团队在海水提铀吸附材料构筑领域取得新进展，提出了一种动态调控的空间配位策略，能同时实现复杂海水体系中铀的精准识别（U/V比达215）和高效提取（U吸附量达588.24 mg·g−1），在海水铀资源提取领域展现出较大潜力。该研究以“Photoisomerization-mediated tunable pore size in metal organic frameworks for U(VI)/V(V) selective separation”为题发表至国际著名期刊《Nature Communications》。

图：论文题目和作者信息

铀钒物种之间的几何构型和尺寸差异为孔道限域策略实现铀的精准识别提供了可能。而金属有机框架（MOFs）得益于其可修改的内部孔结构和丰富的活性位点，可为客体离子的识别和捕获提供丰富的限域微环境。鉴于此，研究团队提出了一种动态响应的空间配位策略，将具有光异构化特性的二芳基乙烯（DAE）光开关引入至MOFs孔道结构，通过紫外-可见光（UV-Vis）的辐射调控，可动态调节MOFs的孔径和配位环境，为铀的捕获提供了精确的约束条件。材料的光化学性质表征显示，材料具有快速且灵敏的光响应动力学。常规状态下光致异构复合MOFs中的DAE光开关处于开启状态，当利用紫外光对其进行辐照时，仅10分钟即可达到关闭状态，且该状态可在无辐照条件下长效保持，而使用可见光对其进行照射时光开关则再次返回开启状态。

图：光致异构复合MOFs的构筑及其选择性铀捕获过程示意图

通过pH/电场性质/材料表面电荷密度等因素之间的正交化有限元模拟分析表明，光致异构MOFs具有良好的门控整流能力，该性质对基于光开关实现异构化双稳态下的高效传质和精准配位至关重要。在此基础上，研究人员考察了模拟海水体系下材料的静态吸附能力、光开关抗疲劳性能、吸附选择性、U(VI)/V(V)分离能力，以及天然海水中的铀提取能力。结果显示，材料对铀的吸附量可达到588.24 mg·g−1，U(VI)/V(V)分离因数比达到了215，该数值超越了目前模拟/天然海水体系中已有报道的所有材料。理论计算表明，MOFs孔道结构与铀物种之间的尺寸匹配，以及DAE光开关与铀物种之间的空间配位，综合决定了材料的高U(VI)/V(V)选择性和高吸附容量。这一研究成果为海水中的铀资源的高效获取提供了一种新颖且有效的技术路径。

兰州大学核科学与技术学院硕士研究生张鹏程为论文第一作者，兰州大学稀有同位素前沿科学中心潘多强教授、吴非青年研究员，苏州大学王亚星教授为论文共同通讯作者。该研究得到兰州大学稀有同位素前沿科学中心吴王锁教授、清华大学化学系李隽教授的指导和建议，得到了国家自然科学基金（22176077, 22106058）、中央高校基本科研业务费（lzujbky-2023-stlt01, lzujbky-2022-sp04）和甘肃省科技计划项目（23ZDFA014）的资助支持。

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-57638-4

原文链接｜兰州大学研究团队在复杂体系中铀精准识别和高效捕获方面取得进展

编辑｜王文乐

责任编辑｜彭倩