CellPress細胞科學官方澎湃號8月16日訊：作為世界領先的全科學領域學術出版社，細胞出版社特與“中國科學院青年創新促進會”合作開設“青促會述評”專欄，以期增進學術互動，促進國際交流。

2022年第二十六期（總第111期）專欄文章，由來自中國科學院高能物理研究所青年特聘研究員、中科院青年創新促進會會員梅雷，就Chem中的論文發表述評。

Physical science

核電作為一類清潔、低碳、高效能源，其長期發展離不開核裂變反應堆的關鍵核燃料鈾的穩定供應。由于陸地鈾資源儲備較為有限，發展海水提鈾（uranium extraction from seawater, UES）技術成為替代陸地鈾礦資源獲取大量鈾的重要途徑，將為實現核電可持續發展提供關鍵支持。然而，海洋環境的復雜性，如極低的鈾濃度（～3 ppb）、大量共存的競爭離子（如釩離子）、高鹽分、易生物污損等,使得UES這一過程極具挑戰，而且還需要考慮提取過程的技術經濟性等其它因素。因此需要發展高性能吸附材料，全面提升材料的綜合性能，以期實現更加經濟且高效的UES目標。

在海水提鈾應用中，使用最為廣泛的是肟基功能化的聚合物材料，但其UES容量一直受限于聚合物材料自身的性質（如柔性鏈纏繞，缺少多孔性，比表面積低，活性結合位點暴露較少等）。近年來，納米吸附劑和納米孔材料的開發，特別是眾多新興多孔材料（如共價有機框架COFs與金屬有機框架MOFs等）的設計合成，提高了活性位點的利用率和傳質速度并可以引入用于鈾酰配位的多齒螯合位點，從而顯著提升了UES效率。然而，這些材料依然存在合成條件苛刻、可加工性能差、化學穩定性和抗水解穩定性不佳等不足。近日，印度CSIR-中央鹽與海洋化學研究所Shilpi Kushwaha團隊發展了一類基于新型苯氧-亞胺結構模塊的新型多孔氫鍵有機框架（HOF）材料，CSMCRIHOF-1。該HOF材料具有永久的孔隙、良好的耐酸堿和耐鹽穩定性、水解穩定性，最為重要的是，其可加工性優異、易于進行再生。以此功能HOF材料為基礎，研究人員通過溶液加工的方法首次制備了具有可調厚度(~40 nm - ~500 nm)的大面積自支撐晶態HOF薄膜（TFCH）。研究結果表明，40 nm厚的TFCH薄膜展現了優異的 UES 效率（17.9 mg/g, 30天），這是目前所有海水提鈾材料中報道的最高值。

與COFs和MOFs等基于強化學鍵聯作用構筑的晶態多孔材料相比，HOFs是由功能化有機模塊通過柔性可逆的超分子弱相互作用（即氫鍵、π-π堆積、C-H…π和范德華力等）組裝而成。HOFs在保留其晶體排列和孔隙率的同時，還具備溶液加工性、易于純化、低成本、可通過重結晶輕松再生等優良屬性。在具有高表面積和長程有序的微孔框架材料中引入類似聚合物的柔韌性和可加工性，有望為克服傳統多孔框架材料（即 MOFs 和 COFs）在大規模UES應用時所面臨的挑戰和技術限制提供新的解決途徑。

論文摘要

海水提鈾 (UES) 的效率往往受到材料設計方面的限制，例如 U 選擇性結合位點、這些位點的均勻分布情況、材料表面積暴露、擴散性能和穩定性。在本工作中，我們報道了一種具有U選擇性的單組分氫鍵有機框架材料 (CSMCRIHOF-1)，它的基本單元是由苯氧-亞胺合成子偶聯到吡啶基連接子上，材料結構中有~3.6-~3.8 A?不等的不同孔徑，并形成可流通的通道和328 m2 /g 的BET表面積。CSMCRIHOF-1顯示了由π-π堆疊輔助支撐的穩定三維氫鍵網絡（包括O-H…O, C-H…O, and O-H…N），并在較寬的pH 值范圍（pH 1–10）內表現出優異的水解穩定性。與其他框架材料相比，CSMCRIHOF-1易于加工和進行再生。通過對CSMCRIHOF-1的進一步加工制備了大面積自支撐薄膜 (TFCH)，其厚度從 40 到 500 nm 范圍內可調，且具有提升的表面積（550 m2/g）。TFCH 具有非常顯著的真實海水UES容量，5天內的UES容量為11 mg/g，30天將達到 17.9 mg/g。