本研究由Dagang Li、Zheng Chen、Fengqi Zhang、Zilei Zhang、Chongcheng Chen、Dongxiang Zhang和Xiyan Xu等人完成，主要作者分别来自北京理工大学化学与化工学院、黎明职业大学新材料与鞋服工程学院、福建省高校实用化工材料应用技术工程中心以及深圳北理莫斯科大学化学系。该研究成果于2024年9月8日在线发表于Journal of Hazardous Materials期刊，卷号为480，文章编号为135784。

本研究的学术背景属于海水提铀领域，具体聚焦于开发高效、稳定的铀吸附材料。随着陆地铀资源的日益枯竭和生态环境压力的不断加剧，铀资源的长期可持续供应已成为核能发展的关键瓶颈。海洋中蕴藏着约45亿吨铀资源，远超陆地储量，因此从海水中提取铀被视为解决未来铀资源短缺的可持续途径。然而，海水提铀面临两大核心挑战：一是海水中铀浓度极低且竞争离子众多，对吸附剂的选择性和吸附速率提出了极高要求；二是复杂的海洋环境要求吸附剂具备良好的机械强度、抗生物污损能力以及长期运行稳定性。当前研究主要集中于纤维、膜和多孔材料等吸附剂形式，其中三维连续互通多孔吸附剂因其高通量海水传输特性而受到关注，但这类材料普遍存在比表面积低、表面光滑、吸附位点少以及机械强度不足等缺点，限制了其实际应用效果。受海洋生物珊瑚的碗状结构和触手高效捕获浮游生物的启发，本研究旨在设计和制备一种具有“纳米触手”修饰的分级多孔有机凝胶吸附剂，在保持高通量海水传输性能的同时，大幅增加吸附位点密度和抗菌性能，从而实现高效的海水提铀。

该研究的详细工作流程可分为吸附剂制备、物理化学表征、吸附性能与机理研究以及天然海水提铀验证四个主要阶段。在第一阶段，研究者采用低温聚合策略制备了具有连续互通超宏观孔道的聚丙烯酸甲酯有机凝胶基质。具体而言，以二甲基亚砜（DMSO）为溶剂，在-24°C条件下使DMSO形成有序的微小冰晶结构。在非结晶区域，由氧化还原引发剂产生的自由基引发丙烯酸甲酯单体聚合，并与交联剂反应形成高密度化学交联网络。冰晶融化后留下10至100微米的互通超宏观孔道，得到表面光滑的聚丙烯酸甲酯基质。该策略不同于相转移致孔法，可确保孔道从吸附剂表面到内部连续分布，避免表面致密层阻碍水相渗透的问题。随后，聚丙烯酸甲酯基质经氢氧化钠水解，使孔道表面的甲酯基转化为羧基，得到羧基化聚丙烯酸甲酯。接着通过碳二亚胺/N-羟基琥珀酰亚胺活化羧基，再与双氰胺的氨基共价接枝，形成双氰胺接枝的聚丙烯酸甲酯。由于双氰胺中腈基的疏水性，其在孔道内自发聚集分布，形成100至500纳米的“纳米触手”结构。最后，通过偕胺肟化反应将腈基转化为偕胺肟基团，得到最终吸附剂。通过控制水解时间为2小时，可获得最优的“纳米触手”规模和数量，吸附容量达到211.2毫克/克。第二阶段为物理化学表征，采用傅里叶变换红外光谱、热重分析、X射线衍射、X射线光电子能谱、扫描电子显微镜、压汞法和氮气吸附-脱附等手段，系统表征了各阶段产物的化学结构、热稳定性、晶体结构、元素组成、微观形貌、孔径分布和比表面积。抗菌性能通过琼脂扩散法和液体培养基浊度法测试，以大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和海藻弧菌为模型菌株。力学性能通过拉伸和压缩测试评估，渗透性能通过动态接触角和达西定律拟合获得。第三阶段为吸附性能与机理研究，首先在纯水中测试了pH、初始浓度和吸附时间对铀吸附容量的影响，通过准一级动力学、准二级动力学和颗粒内扩散模型拟合吸附动力学数据，通过朗缪尔和弗伦德里希等温线模型分析吸附平衡，并通过循环吸附-脱附实验评估可重复使用性。选择性通过多离子共存模拟海水体系评价。吸附机理通过傅里叶变换红外光谱、X射线光电子能谱以及密度泛函理论计算等手段深入解析。第四阶段为天然海水提铀验证，构建了带循环系统的中试规模装置，在真实海水中进行30天连续吸附试验，监测铀吸附容量随时间的变化，并在试验结束后通过扫描电子显微镜和能谱分析观察吸附剂微观结构的稳定性及铀元素的分布。

研究结果显示，低温聚合成功制备了具有连续互通超宏观孔道的聚丙烯酸甲酯基质，孔隙率为78.2%，平均孔径为36.3微米。经过水解、双氰胺接枝和偕胺肟化反应后，孔道表面形成了均匀分布的100至500纳米“纳米触手”结构。比表面积从聚丙烯酸甲酯的1.33平方米/克增加到双氰胺接枝产物的21.72平方米/克，最终偕胺肟化产物达到24.37平方米/克，提高了18倍。孔隙率在改性后略微增加至80.11%，经过七次水吸附-脱附循环后仍保持在79.60%。红外光谱和X射线光电子能谱证实了酯基、羧基、腈基和偕胺肟基团的逐步转化。抗菌实验表明，最终吸附剂对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和海藻弧菌均形成了明显的抑菌圈，直径分别为22毫米、19毫米和18毫米，抗菌性能主要归因于双氰胺中胍基对细菌细胞膜的破坏作用。力学性能方面，最终吸附剂在饱和含水状态下拉伸强度为1.32兆帕，压缩强度为2.44兆帕，显著优于同尺寸水凝胶吸附剂。渗透率提高到1.12×10⁻¹³平方米，水渗透时间从100秒缩短至32秒。在吸附性能方面，pH为7时吸附容量最高，48小时内纯水中铀吸附容量在初始浓度为不同条件下平均可达到260.93、211.21和155.41毫克/克。动力学拟合表明吸附过程更符合准二级动力学模型，说明化学吸附起主导作用。等温线拟合更符合朗缪尔模型，表明铀在吸附剂表面形成单层络合。X射线光电子能谱和密度泛函理论计算证实铀酰离子主要与偕胺肟基团通过双齿配位结合，结合能最低为-42.357千卡/摩尔。七次循环后吸附容量仍保持188.11毫克/克，解吸率为82.94%。在含多种金属离子的模拟海水中，铀的分布系数达到88.03升/克，高于钒、铜等竞争离子。天然海水30天试验中，吸附剂在23天内达到7.63毫克/克的铀吸附容量，平均吸附速率为0.332毫克/克/天，半饱和吸附时间为10.8天。试验结束后吸附剂保持原有形状，微观结构完整，“纳米触手”形貌未发生明显变化。

本研究的结论表明，通过仿生设计成功构建了具有“纳米触手”分级结构的连续互通超宏观孔有机凝胶吸附剂。该吸附剂在保持高通量海水传输性能的同时，通过“纳米触手”大幅增加了比表面积和吸附位点密度，并赋予材料抗菌性能。其优异的机械强度和结构稳定性确保了在真实海水中的长期运行可靠性。在23天天然海水试验中取得的0.332毫克/克/天的吸附速率超过了许多同类气凝胶和水凝胶吸附剂，展现出良好的应用前景。更重要的是，该研究的低温聚合策略实现了聚合、交联和致孔的一体化，可在常压室温条件下干燥，避免了冷冻干燥的高能耗，有利于规模化制备。该工作不仅为海水提铀提供了一种创新性的高效吸附剂设计思路，也为其他水处理和可持续发展领域的吸附材料开发提供了借鉴。

本研究的亮点在于：第一，首次在三维连续互通超宏观孔道表面自主构建了“纳米触手”结构，实现了比表面积18倍的提升，解决了传统三维多孔吸附剂表面光滑、吸附位点少的问题；第二，通过引入双氰胺同时赋予了吸附剂抗菌性能和铀吸附能力，无需额外添加抗菌剂；第三，低温聚合策略与常压干燥工艺相结合，显著降低了制备能耗，具备规模化生产潜力；第四，吸附剂在饱和含水状态下仍保持优异的拉伸和压缩强度，远超同类水凝胶吸附剂，为实际海洋环境中的长期部署提供了力学保障。此外，该研究通过密度泛函理论计算明确了偕胺肟基团与铀酰离子的双齿配位模式，为后续吸附剂分子设计提供了理论指导。