海水中鈾的蘊藏量超40億噸，相當于陸地鈾礦儲量的一千倍，從海水中有效提取鈾將助力我國核工程領(lǐng)域長久發(fā)展。然而，由于海水中的鈾濃度相對較低(~3.3 ppb)，因此，開發(fā)出選擇性好、吸附容量高、可重復(fù)使用的海水提鈾吸附劑尤為重要。

固有微孔聚合物因其高比表面積與豐富的吸附位點在吸附領(lǐng)域具有廣闊前景，然而微孔內(nèi)較高的傳質(zhì)阻力常導(dǎo)致離子擴散受阻，表現(xiàn)出的吸附性能不足。自然界中存在大量分形結(jié)構(gòu)，如動物血管、植物導(dǎo)管等。這些分形結(jié)構(gòu)可以以最小的能量消耗在最大程度上實現(xiàn)物質(zhì)交換與傳遞。受此啟發(fā)，將分級多孔結(jié)構(gòu)引入吸附劑內(nèi)部，可以有效解決離子在三維無序的微孔內(nèi)擴散受阻的問題。

中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員聞利平課題組開發(fā)出基于固有微孔聚合物的仿生分級多孔吸附膜。其中逐級遞減的孔徑結(jié)構(gòu)允許鈾酰離子在膜內(nèi)快速擴散，進而充分利用微孔內(nèi)豐富的吸附位點。測試表明該分級多孔膜可以將吸附容量提升至原來的20倍。此外，該膜也在天然海水中進行了為期四周的吸附測試，結(jié)果顯示其吸附容量達到9.03mg/g。該工作提出的微結(jié)構(gòu)設(shè)計方案可以同時推廣到一大類微孔聚合物吸附劑設(shè)計中，以實現(xiàn)核能原料的可持續(xù)提供。

聞利平及其團隊成員長期致力于仿生微納孔材料的制備及應(yīng)用探索，通過研究和設(shè)計各種仿生微納孔材料，揭示孔道內(nèi)物質(zhì)運輸?shù)囊?guī)律，從而調(diào)控微孔材料內(nèi)部物質(zhì)傳輸性能，使其適用于海洋滲透能轉(zhuǎn)化、離子篩分與富集等相關(guān)領(lǐng)域。

相關(guān)研究成果以Bioinspired Hierarchical Porous Membrane for Efficient Uranium Extraction from Seawater為題，發(fā)表在Nature Sustainability上。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學(xué)基金的支持。