核能作为高能量密度的基荷能源，在实现碳中和目标中发挥着关键作用。目前，陆地铀资源的迅速消耗严重制约了核工业的可持续发展。而浩瀚的海洋中蕴藏着约45亿吨铀资源，是陆地含铀矿石的近千倍。因此，从海水中提取铀（UES）成为保障核能长期稳定发展的战略选择。然而，真实海水环境复杂，铀浓度极低（约3.3 ppb），且存在严重的共存离子竞争（特别是钒离子）、生物附着以及界面传质阻力等问题。这使得开发兼具超快动力学、高吸附容量、高选择性及优异抗污能力的吸附材料面临巨大挑战。

针对上述难题，青岛能源所绿色反应分离与过程强化技术中心近期在海水提铀材料领域取得了系列进展。团队首先创新性地引入了离散分子拓扑设计范式，在多孔有机笼（POCs）的层间纳米空间内构建了磷酸吸附簇，成功合成首例磷酸功能化的多孔有机笼材料—PhosCage。这种分子层面的修饰策略有效克服了传统晶体框架中离子传输与结合位点密度之间的权衡问题。结果证明，高度局域化的孤对电子促使PhosCage与海水中的铀酰离子形成强定向的四齿配位，并伴随显著的电荷转移和高结合能。PhosCage在实验室条件下仅需5 分钟即可达到吸附平衡，在多海域的真实海水环境中具备最高50.4 mg/g 的提铀能力，达到美国能源部（U.S. DOE）规定基准的8.4 倍。相关成果以“Interlayer phosphate architectonics in porous organic cages enable ultrafast and high-capacity seawater uranium extraction”为题发表在国际期刊《Journal of Hazardous Materials》。

在此基础上，为了进一步解决在实际海洋工程部署中面临的粉末材料难以部署和微生物附着等问题，研究团队巧妙地将PhosCage与芳纶纳米纤维结合，采用物理缠结与化学锁定相协同的策略，规模化制备了具有协同螯合作用的新型复合气凝胶微球—AC-POC。该双网络微球具备卓越的连通孔隙通道，其内部交织的磷酸根和羧基更构建了一个强效的协同供电子配位环境，有效降低了铀酰离子的配位能垒。测试结果显示，AC-POC 在多离子竞争下展现出极高的选择性；在天然海水中连续运行15 天后，其动态提铀容量达22.55 mg/g（是DOE 基准的3.8 倍）。此外，表面负电荷赋予了微球优异的广谱抗菌和抗生物膜附着能力。相关成果以“Composite aerogel spheres with cooperative chelation for selective uranium extraction from seawater”为题发表在国际期刊《Separation and Purification Technology》。

上述研究不仅填补了多孔有机笼材料在海水提铀领域的空白，更为未来设计和开发具有高抗污、高选择性和高容量的可持续规模化海水提铀吸附材料奠定了坚实的理论与工程基础。青岛能源所博士生张万圣为相关论文第一作者，博士后辛洋洋、法芸研究员为通讯作者。相关工作得到了国家自然科学基金、青岛能源所强基计划等项目的支持。( 文/图 张万圣 )

原文链接：

[1] Wansheng Zhang, Yangyang Xin*, Tong Qi, Yining Wang, Fengwei Li, Yun Fa*, Huizhou Liu. Interlayer phosphate architectonics in porous organic cages enable ultrafast and high-capacity seawater uranium extraction. Journal of Hazardous Materials, (2026), 143404. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2026.143404

[2] Wansheng Zhang, Yangyang Xin*, Yongye Zhao, Fengwei Li, Huizhou Liu, Maocai Feng, Yun Fa*. Composite aerogel spheres with cooperative chelation for selective uranium extraction from seawater. Separation and Purification Technology, (2026), 139657. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2026.139657