海水中鈾儲量巨大，總計約45億噸。然而，極低的鈾濃度和多種共存離子的存在使得從海水中提取鈾面臨著巨大的挑戰(zhàn)。近年來，聚丙烯酰胺（PAM）基水凝膠因其豐富的親水官能團和良好的吸附能力而受到廣泛關(guān)注，它們被用作吸附劑以實現(xiàn)高效的鈾提取。但純PAM吸附劑所含官能團較少，比表面積較低，因此其對鈾的吸附效果有限。MOFs因其可控的孔徑、優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和豐富的結(jié)合位點而被廣泛認為是有前途的鈾吸附候選材料。但傳統(tǒng)單一MOF材料對U(VI)的吸附量較低，且成本較高。研究發(fā)現(xiàn)，基于MOF的核殼納米復(fù)合材料由于其高孔隙率和大比表面積，在鈾提取方面具有潛在的應(yīng)用前景。該結(jié)構(gòu)以MOF為核心，以高比表面積和化學(xué)穩(wěn)定性的SiO₂無機材料為殼，有望從海水中高效提取鈾。

基于此，鄭州大學(xué)劉春太和申長雨團隊通過將核殼結(jié)構(gòu)的表面功能化ZIF-67@SiO₂（ZIF-67@SiO₂-A）與PAM水凝膠交聯(lián)，制備了一種新型ZIF-67@SiO₂-A/PAM吸附劑，用于在海水中萃取U(VI)。ZIF-67@SiO₂納米顆粒的表面用3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)進行功能化，然后通過添加戊二醛(GA)將ZIF-67@SiO₂-A接枝到PAM聚合物網(wǎng)絡(luò)中。ZIF-67@SiO₂-A核殼結(jié)構(gòu)的引入不僅增加了比表面積和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，而且呈現(xiàn)出高吸附容量。通過XRD、FTIR、SEM和TEM等表征手段對ZIF-67@SiO₂-A/PAM的結(jié)構(gòu)和形貌進行了表征。系統(tǒng)研究了ZIF-67@SiO₂-A/PAM在不同條件下的吸附行為，通過XPS、FTIR、EDS和DFT詳細討論了ZIF-67@SiO₂-A/PAM對U(VI)的潛在吸附機制，最后還研究了ZIF-67@SiO₂-A/PAM吸附劑在天然海水中的吸附性能。

具體結(jié)果包括：（1）合成了核殼ZIF-67@SiO₂納米粒子，用APTES對ZIF-67@SiO₂進行表面功能化之后通過GA交聯(lián)將ZIF-67@SiO₂-A接枝到PAM網(wǎng)絡(luò)上，得到ZIF67@SiO₂-A/PAM。（2）ZIF-67@SiO₂-A的引入增強了PAM的比表面積和吸附效率。ZIF-67@SiO₂-A/PAM對鈾表現(xiàn)出顯著的吸附能力、快速的吸附動力學(xué)和良好的可重復(fù)使用性。該吸附劑在天然海水中表現(xiàn)出6.33 mg·g^?1的高鈾提取能力。（3）XPS、FTIR、EDS和DFT表明化學(xué)吸附機制主導(dǎo)ZIF-67@SiO₂-A/PAM對鈾的吸附行為，且吸附劑中N和O與鈾的配位是鈾吸附的主要機制。

圖1 (a)ZIF-67@SiO₂-A和(b)ZIF-67@SiO₂-A/PAM的制備路線。優(yōu)化后的(c)PAM、(d)GA、(e)SiO₂-A和(f)SiO₂-A/PAM的靜電勢圖

圖2 (a)共存離子對ZIF-67@SiO₂-A/PAM去除U(VI)的影響。(b)ZIF-67@SiO₂-A/PAM 共存離子的K_d值（插圖為K_d的放大圖）。(c)ZIF-67@SiO₂-A/PAM在天然海水中30天的吸附能力。(d)ZIF-67@SiO₂-A/PAM在天然海水中的吸附選擇性和去除率

圖3 吸附機理的DFT計算

文章第一作者為鄭州大學(xué)的碩士研究生宋玉成，鄭州大學(xué)的楊佩佩副研究員和鄭州大學(xué)的李松偉講師為該文章的共同通訊作者。

申長雨，中國科學(xué)院院士，國家杰出青年基金獲得者，973項目首席科學(xué)家，塑料成型及模具優(yōu)化設(shè)計專家。長期從事塑料成型加工、塑料模具優(yōu)化設(shè)計與制造等領(lǐng)域的理論、技術(shù)和數(shù)值模擬方法的研究工作。

劉春太，鄭州大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。河南省學(xué)術(shù)與技術(shù)帶頭人，河南省杰出青年基金獲得者。目前擔(dān)任鄭州大學(xué)橡塑模具國家工程研究中心常務(wù)副主任，材料成型及模具技術(shù)教育部重點實驗室常務(wù)副主任、兼任中國塑料加工工業(yè)協(xié)會專家委員會委員、全國模具標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會委員、全國塑料制品標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會委員、《應(yīng)用力學(xué)學(xué)報》、《模具工業(yè)》、《力學(xué)與實踐》等雜志編委。

楊佩佩，鄭州大學(xué)副研究員，研究方向為氧化石墨烯基復(fù)合材料，MOF材料的調(diào)控與設(shè)計，光催化材料設(shè)計與應(yīng)用以及高分子結(jié)構(gòu)與性能調(diào)控。主持并參與包括青年自然基金項目，博士后站前特別資助以及鄭州大學(xué)科研啟動基金項目。

李松偉，鄭州大學(xué)講師，研究方向為高分子結(jié)構(gòu)與性能調(diào)控，功能納米材料的設(shè)計，聚合物膜材料的設(shè)計及應(yīng)用。主持并參與包括鄭州大學(xué)科研啟動基金項目，中國煙草總公司云南省公司項目以及中國博士后基金會項目。

Song Y, Tan H, Qin S, et al. Assembly of a core–shell MOF with stability into polyacrylamide hydrogel for boosting extraction of uranium from seawater. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-6233-x.

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