電被認(rèn)為是一種高效的清潔能源，正逐漸成為我國(guó)調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)的重要保障。我國(guó)是全球核電站在建規(guī)模最大的國(guó)家。而我國(guó)已探明及推測(cè)的鈾礦資源總量?jī)H為17.3萬(wàn)噸，鈾燃料缺口近90%，嚴(yán)重依賴于進(jìn)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(yùn)藏著約45億噸鈾，相當(dāng)于全球陸地鈾礦儲(chǔ)量的一千倍。把海水中的鈾資源經(jīng)濟(jì)有效地利用起來(lái)，可成為我國(guó)核電事業(yè)與核力量穩(wěn)定發(fā)展的重要補(bǔ)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(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所海水提鈾團(tuán)隊(duì)通過(guò)兩步接枝聚合技術(shù)制備了具有互連開(kāi)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(qiáng)度、高孔隙率、高比表面積和大量鈾螯合位點(diǎn)的功能化纖維材料能在海洋中無(wú)額外驅(qū)動(dòng)力下自發(fā)吸附鈾酰離子。該材料制備成本低，工藝簡(jiǎn)單，并且放置和打撈方便，是目前廣泛接受的最有望實(shí)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(guó)際材料學(xué)頂級(jí)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(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所馬紅娟副研究員和美國(guó)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(shí)現(xiàn)海水提鈾工業(yè)化概念圖；（b）AO-OpNpNc纖維中的互連開(kāi)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(dá)到了17.57 mg/g。
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)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(jī)械強(qiáng)度的超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維改造成一種具有互連開(kāi)孔納米通道結(jié)構(gòu)和含有大量鈾鰲合位點(diǎn)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(jī)械強(qiáng)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(diǎn)，使AO-OpNpNc纖維具有超高的鈾吸附能力。材料在真實(shí)海水中對(duì)鈾的吸附容量達(dá)到17.57mg/g。超高機(jī)械強(qiáng)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(qiáng)度，遠(yuǎn)高于文獻(xiàn)報(bào)道的偕胺肟基吸附材料。超高的機(jī)械強(qiáng)度使材料的使用壽命達(dá)到了30次以上。綜合性能評(píng)估顯示，使用AO-OpNpNc纖維進(jìn)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(guó)際鈾價(jià)相當(dāng)。這種互連開(kāi)孔納米通道結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度纖維不僅結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可控，而且經(jīng)濟(jì)高效，可大規(guī)模批量制備。研究團(tuán)隊(duì)制備1 kg 的高性能纖維吸附材料于我國(guó)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(shí)現(xiàn)海水提鈾工業(yè)化。從海洋中獲得核燃料的夢(mèng)想將很快成為現(xiàn)實(shí)。
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(shí)海水中的對(duì)鈾的吸附性能
