鈾元素是核產(chǎn)業(yè)不可或缺的放射性戰(zhàn)略金屬資源，但我國陸地鈾儲(chǔ)量較為匱乏，大約90%的核燃料依賴進(jìn)口。海水中鈾存量高達(dá)45億噸，是陸地鈾儲(chǔ)量的1000倍以上。在海水中提取鈾元素具有重要的研究價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。相對(duì)于傳統(tǒng)的化學(xué)沉淀、溶劑萃取及蒸發(fā)法，吸附法具有效率高、成本低、易操作、二次污染風(fēng)險(xiǎn)低等優(yōu)點(diǎn)，但是海水鈾濃度極低（僅大約3 ppb），且背景鹽濃度高，競爭離子眾多，目前海水提鈾吸附劑存在吸附容量小、吸附速度快、制備成本偏高等問題。綠色低成本的高效、高選擇性吸附劑仍然是制約海水提取金屬技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。
青島能源所李朝旭研究員帶領(lǐng)的仿生智能材料研究組，在生物質(zhì)納米纖維綠色高效制備及其還原回收貴金屬方面的研究基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)室溫下氰乙基化改性纖維素，有助于纖維素內(nèi)納米纖維的溶脹及高效剝離。進(jìn)一步采用室溫氰乙基化方法改性木材，并進(jìn)行偕胺肟化處理，發(fā)現(xiàn)木材微觀結(jié)構(gòu)能在一定程度上得以保留，進(jìn)而保持了木材原有機(jī)械性能，而木材次生壁主要以纖維素為主，在此過程中，纖維素納米纖維自行剝離并填充滿木材管包。填充有偕肟胺基納米纖維的木材對(duì)水體鈾酰離子表現(xiàn)出極高的特異性吸附能力（模擬水樣最高吸附量高達(dá)1277.5 mg g 1）。由于結(jié)構(gòu)特殊，該改性木材可以實(shí)現(xiàn)高壓過濾提取水體鈾離子，6 Bar過濾壓力下通量達(dá)920 L m 2 h 1，濾液逐級(jí)進(jìn)入木材管胞與納米纖維接觸，停留時(shí)間延長，可以實(shí)現(xiàn)>99%的鈾離子捕獲率（圖1）。該發(fā)現(xiàn)不僅推進(jìn)了特種生物質(zhì)納米纖維制備的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，也為水體提鈾技術(shù)的發(fā)展提供了一條綠色、高效新途徑。相關(guān)成果發(fā)表在近期的ACS Nano《美國化學(xué)會(huì) 納米》上，并申報(bào)專利CN202210931186.7。該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步撰寫綜述論文，總結(jié)了利用纖維素納米纖維、甲殼素納米纖維和蛋白質(zhì)納米纖維等常見的生物納米纖維材料，提取水中高價(jià)值金屬離子（如Au、Ag、Li、Co、U、Sr等）的研究進(jìn)展（Exploration, 2022, 20220050）。
上述研究獲得國家自然科學(xué)基金（Nos. 21474125, 22075307）、山東省人才計(jì)劃、山東省自然科學(xué)基金（Nos. ZR2020ZD33，ZR2021YQ40, ZR2020KE025）、中科院青島能源所/山東能源研究院科研創(chuàng)新基金（SEI I202143 & SEI I202131）等項(xiàng)目和計(jì)劃的經(jīng)費(fèi)支持。
圖1. 木材管胞內(nèi)原位剝離制備和填充納米纖維過濾提取水體鈾離子及其應(yīng)用展示。
Weihua Zhang, Chunlin Xu, Xinpeng Che, Ting Wang, Stefan Willf？r, Mingjie Li*, Chaoxu Li*, Encapsulating Amidoximated Nanofibrous Aerogels within Wood Cell Tracheids for Efficient Cascading Adsorption of Uranium Ions, ACS Nano, 2022, DOI: 10.1021/acsnano.2c06173.
