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海水提鈾,原子能院研究成果提供材料研發新范式

來源:中國原子能科學研究院 發布日期:2022-07-22

近日,由原子能院放射化學研究所與清華大學合作取得的原創性成果《Multi-scale computer-aided design and photo-controlled macromolecular synthesis boosting uranium harvesting from seawater》(《多尺度計算輔助設計及光控聚合技術開發新型海水提鈾材料》)在國際知名期刊《Nature Communications》(《自然·通訊》)上發表,這是原子能院首次在該期刊發表成果。放射化學研究所蘭友世博士為文章共同第一作者。


文章指出,通過多尺度計算模擬與連續流光控聚合技術相結合,可建立一種海水提鈾材料研發新范式,實現具有構象優勢的嵌段聚合物型海水提鈾材料的設計、優化和定制合成。該研究模式對于更為廣泛的功能性嵌段聚合物材料開發同樣具有借鑒意義。

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嵌段共聚物海水提鈾過程的多尺度模擬


海水提鈾研究起源于20世紀50年代,用于解決陸地鈾礦資源有限性和開發經濟性問題。2016年,《Nature》撰文將海水提鈾列為有望“改變世界的七項化學分離技術”之一。在過去20年間,針對海水提鈾聚合物材料的設計和研發主要集中于微觀尺度和宏觀尺度兩個層面,對于兩者之間的介觀尺度下聚合物鏈段空間構象與其吸附行為的關系這一科學問題缺乏認識,并且缺乏精準調控聚合物鏈段構象的技術手段。因此,現有的大多數海水提鈾材料遠遠無法兌現其理論上的吸附容量,利用率極低。


例如,偕胺肟基吸附材料在海水提鈾中被廣泛應用,其在使用過程中如同一團蜷縮的毛線球,由于與海水接觸面積有限,造成利用率不足1%,導致對海水中鈾的富集能力低下,制約了海水提鈾工程化的進展。針對這個問題,本研究從多方面圍繞海水提鈾材料構象問題提出解決策略,通過向吸附材料中引入親水功能鏈,使“蜷縮的毛線球”變得松弛,從而加大與海水的接觸面積,提高吸附利用率。

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嵌段共聚物的光控合成及海水提鈾吸附實驗


研究采用了多尺度計算與高通量實驗相結合的方式,形成了一套具有普適性的高分子材料定向合成研發模式,提出一種新型智能的材料設計理念,模擬了偕胺肟高分子材料的海水提鈾過程,通過光控聚合技術精準合成嵌段型偕胺肟聚合物后,進行了28天的真實海水吸附實驗。結果證實該材料具有優異的鈾吸附性能,吸附容量提高至11.4 mg/g,較之原來提高了2至3倍,這對海水提鈾的工程化具有促進意義。


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