新型生物启发材料：可用于从海水中提取铀！

导读

据美国能源部橡树岭国家实验室官网近日报道，该实验室与美国劳伦斯伯克利国家实验室、加州大学伯克利分校、南佛罗里达大学的科研人员合作开发出一种新型生物启发材料。这种材料可应用于一种环境友好且经济划算的方案，从海水中回收铀。

背景

铀（Uranium）的原子序数为92的元素，其元素符号是U，是自然界中能够找到的最重元素。在自然界中存在三种同位素，均带有放射性，拥有非常长的半衰期（数亿年~数十亿年）。

（图片来源：维基百科）

其中，铀235是铀元素里中子数为143的放射性同位素，是自然界至今唯一能够发生可控裂变的同位素，主要用做核反应中的核燃料，也是制造核武器的主要原料之一。

瑞士洛桑联邦理工学院研究使用的小型核反应堆（图片来源：维基百科）

创新

近日，来自美国能源部橡树岭国家实验室、劳伦斯伯克利国家实验室、加州大学伯克利分校、南佛罗里达大学的科研团队开发出一种材料，它可以通过一种低成本的高分子吸附剂，选择性地绑定溶解的铀。

这项研究成果发表在《自然通信（Nature Communications）》期刊上，论文标题为： "Siderophore-Inspired Chelator Hijacks Uranium from Aqueous Medium"。以前，从海洋中提取铀资源进行可持续能源生产在成本和效率方面存在瓶颈，而这项研究有助于突破这些瓶颈。

技术

橡树岭国家实验室化学科学部的 Ilja Popovs 从嗜铁微生物的化学成分中获得灵感。细菌和真菌等微生物含有一种称为“嗜铁素（siderophores）”的神秘的自然成分。它可以从其宿主中吸取必要的营养成分例如铁。他说：“我们本质上创造了一种人造的嗜铁素，以改善材料挑选和绑定铀的方式。”

（图片来源：参考资料【1】）

该团队使用计算与实验方法，开发出一种称为“H₂BHT”的新颖的官能团。它从海水中其他元素（例如钒）的竞争金属离子中，优先选择出铀离子，或者说可溶于水的铀。

（图片来源：Alexander Ivanov/美国橡树岭国家实验室）

这项基本发现是依靠原理论证阶段的 H₂BHT 高分子吸附剂的良好性能作为后盾的。因为 H₂BHT 具有独特的化学特性，铀离子被轻而易举地“吸收”，或者说绑定到材料纤维的表面。该原型从其他合成材料中脱颖而出，用于增加铀的存储空间，生成高度可选择、可回收的材料，比先前的方法更加高效地回收铀。

作为一种切实可行的回收方法，盐水萃取为陆上开采铀（这些铀可以维持核电生产达千年）提供了一种可持续的替代方案。

通过含有矿石的岩石与土壤的天然侵蚀，海水中的铀矿床非常丰富而且是可补充的。尽管浓度很低，每吨海水中差不多只有3毫克的铀，但是全世界的海洋蕴藏着丰富的铀，总共可达40亿吨，是陆地上所有铀资源总和的千倍以上。

然而，自上世纪六十年代以来，为了利用这种潜在的资源，开发高效的铀吸附剂一直是科研人员们难以实现的追求。

橡树岭国家实验室的 Alexander Ivanov 对 H₂BHT 进行了计算研究。他表示：“目标就是低成本地开发高效的吸附剂材料，这种材料可以在温和条件下处理来回收铀，并可重复用于多次萃取循环。”

在美国能源部核能燃料循环研究与开发项目办公室的支持下，团队专注于查明影响选择性的潜在因素，并通过新材料提升可回收的铀的量。

之前关于偕胺肟基成分的研究表明，从根本上说，钒比铀具有更强的吸附力，这是一个难以克服的问题。H₂BHT 的开发提供一个替代方案，采用非偕胺肟材料，更好地针对混合金属水环境中的铀。

在通往更加高效的吸附剂材料的道路上，选择性一直是一块绊脚石。尝试和失败所驱动的早期进展，发现偕胺肟基官能团有效地绑定水中的铀，但是回收钒的效果却更好，尽管后者在海水中的浓度相对较低。

Popovs 表示：“结果是，目前商用吸附剂的领先者偕胺肟基材料，充满钒的速度比铀更快，而去除钒的成本高、难度大。”

这种用于去除钒的高度浓缩的酸性溶液，与温和处理或者基本处理的溶液相比更加昂贵，并且会受到腐蚀性废物流的困扰。进一步说，酸性处理会损坏材料纤维，这样会限制材料的重复使用，使得商用成本高昂。

Popovs 表示：“作为一种可扩展的概念，理想地说，不需要的元素不会被吸收，或者在处理期间很容易去除，而且材料可以重复使用几个循环，以最大化采集铀的量。”

价值

不同于装载钒的材料，H₂BHT 聚合物可以采用温和的基础溶液处理，并且循环使用。这种环境友好的特征，也为潜在的真实世界应用显著地降低了成本。

Popovs 表示：“我们的方案标志着一个显著的飞跃。我们的材料是为从海水中的其他金属中挑选铀而专门定制的，并且便于循环再利用，比之前开发的吸附剂更加实用和高效。”

未来

研究人员称，下一步就是为更高的效率和商业规模的机遇改进这个方案。

关键字

能源、材料、生物启发

参考资料

【1】Alexander S. Ivanov, Bernard F. Parker, Zhicheng Zhang, Briana Aguila, Qi Sun, Shengqian Ma, Santa Jansone-Popova, John Arnold, Richard T. Mayes, Sheng Dai, Vyacheslav S. Bryantsev, Linfeng Rao, Ilja Popovs. Siderophore-inspired chelator hijacks uranium from aqueous medium. Nature Communications, 2019; 10 (1) DOI: 10.1038/s41467-019-08758-1

【2】https://www.ornl.gov/news/bio-inspired-material-targets-oceans-uranium-stores-sustainable-nuclear-energy

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