海水铀提取材料的比较分析：迈向生物基与仿生材料的开发
作者及机构
本文由Wansheng Zhang（中国科学院青岛生物能源与过程研究所生物基材料重点实验室）、Mengqin Wu、Yangyang Xin、Huizhou Liu（中国科学院大学化学工程学院）、Fengwei Li*和Yun Fa*（共同通讯作者）等合作完成，发表于2025年的*Coordination Chemistry Reviews*期刊（Volume 534, 216589）。
研究背景与主题
随着全球能源需求增长和陆地铀资源枯竭（预计80-120年内耗尽），海水铀提取（uranium extraction from seawater, UES）成为核能可持续发展的关键。海水铀储量（约45亿吨）是陆地的1000倍，但极低浓度（3.3 μg/L）和复杂海洋环境（高盐度、生物污损、竞争离子）制约其经济可行性。过去60年，研究聚焦于两类材料优化：新型吸附材料开发与规模化提取工艺。本文系统综述了无机材料、有机聚合物、生物基及仿生材料在UES中的进展，并对比其性能、效率及环境适应性，为未来技术发展提供路线图。
主要观点与论据
1. 无机材料的进展与局限
无机材料（如金属硫化物、层状双氢氧化物LDH、碳材料、金属有机框架MOFs）因成本低、易制备早期受关注。例如：
- 金属硫化物：K₂Mn₂Sn₃S₆（KMS-1）通过K⁺/UO₂²⁺离子交换实现380 mg/g吸附容量（pH 8时效率99.9%），但需高剂量（10-20 g/L）。后续开发的Sₓ-LDH复合材料将剂量降至1 g/L，吸附量达330 mg/g，选择性系数K_d=3.4×10⁶。
- MOFs：UIO-66-AO（偕胺肟功能化）在真实海水中吸附2.68 mg/g铀，EXAFS证实其六方双锥配位结构；而POM@Cu-MOF通过光催化协同吸附，容量达1987.4 mg/g。
- 局限：金属氧化物选择性差，LDH耐酸性弱，MOFs稳定性不足，且规模化合成困难。
2. 有机聚合物的优势与挑战
有机材料（如凝胶、共价有机框架COFs）通过功能基团（偕胺肟、磺酸基）提升选择性：
- 凝胶材料：Zn²⁺-PAO超分子水凝胶通过Zn²⁺与偕胺肟阴离子交联，容量达1188 mg/g；仿生气凝胶CA/P(IZ-co-AO)凭借分级孔道结构，20天内吸附11.89 mg/g。
- COFs：COF-HHTF-AO（偕胺肟修饰）在模拟海水中吸附550.1 mg/g，真实海水中选择性为钒的1.61倍；羧基化COF（DMTP-COOH）通过溶剂调控结构无序度，容量达378 mg/g。
- 挑战：合成复杂、单体成本高，且偕胺肟基团易受生物污损影响。
3. 生物基与仿生材料的突破
生物材料（微生物、蛋白质、DNA）及仿生设计因环保、低成本成为新兴方向：
- 微生物富集：Bacillus velezensis UUS-1通过羧基/氨基吸附，48小时内富集铀6.26×10⁵倍；Pseudomonas stutzeri在铀胁迫下分泌聚羟基脂肪酸酯（PHB），形成CaU(PO₄)₂矿物相，容量308.72 mg/g。
- 蛋白质工程：超铀结合蛋白（SUP）纤维（如DSUP）通过Glu/Asp/Arg残基配位，3天内吸附17.45 mg/g，选择性超2×10⁵倍；大豆蛋白（SPI）水凝胶通过羧基/氨基六配位，容量达161.84 mg/g。
- DNA材料：DNA酶水凝胶（DNA-UEH）形成磷酸酯键纳米口袋，选择性为钒的18.95倍；海藻酸钠-DNA微球（SA-DNA）通过Ca²⁺交联，循环5次后保持85%效率。
- 仿生设计：POP-ONH₂-AO模拟生物螯合腔，1小时内吸附530 mg/g；PCN-222-PA引入植酸（PA）磷酸基团，30分钟去除90%铀。
4. 材料性能的综合对比
- 吸附容量：MOFs和COFs（如POM@Cu-MOF, 1987.4 mg/g）＞生物材料（如DSUP, 17.45 mg/g）＞传统无机材料（如KMS-1, 380 mg/g）。
- 选择性：DNA/蛋白质材料（如SUP）＞偕胺肟聚合物＞无机材料。
- 环境适应性：仿生材料（如CA/P(IZ-co-AO)）抗生物污损，而MOFs在海水中的稳定性需改进。
研究意义与价值
1. 科学价值：首次系统比较无机、有机、生物材料的UES性能，揭示配位机制（如偕胺肟的N-O键、磷酸基的P-O键）与结构-功能关系。
2. 应用价值：提出生物基/仿生材料为低成本、可持续的UES解决方案，如DNA水凝胶和SUP纤维的工业化潜力。
3. 未来方向：需开发抗污损材料、优化规模化合成工艺，并评估吸附剂对海洋生态的影响。
亮点
- 跨学科整合：涵盖材料化学、生物工程与海洋科学。
- 创新设计：如DNA纳米口袋、双SUP蛋白纤维。
- 数据全面性：汇总60年研究数据，包含真实海水实验（如UIO-66-AO, DSUP）。
本文为UES技术提供了从基础研究到工程应用的完整视角，推动核能可持续发展。