鈾（Uranium）的原子序數(shù)為92的元素，其元素符號是U，是自然界中能夠找到的最重元素。在自然界中存在三種同位素，均帶有放射性，擁有非常長的半衰期（數(shù)億年~數(shù)十億年）。其中，鈾235是鈾元素里中子數(shù)為143的放射性同位素，是自然界至今唯一能夠發(fā)生可控裂變的同位素，主要用做核反應中的核燃料，也是制造核武器的主要原料之一。

瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院研究使用的小型核反應堆（圖片來源：維基百科）

創(chuàng)新

近日，來自美國能源部橡樹嶺國家實驗室、勞倫斯伯克利國家實驗室、加州大學伯克利分校、南佛羅里達大學的科研團隊開發(fā)出一種材料，它可以通過一種低成本的高分子吸附劑，選擇性地綁定溶解的鈾。

這項研究成果發(fā)表在《自然通信（NatureCommunications）》期刊上，論文標題為："Siderophore-InspiredChelatorHijacksUraniumfromAqueousMedium"。以前，從海洋中提取鈾資源進行可持續(xù)能源生產(chǎn)在成本和效率方面存在瓶頸，而這項研究有助于突破這些瓶頸。

技術(shù)

橡樹嶺國家實驗室化學科學部的IljaPopovs從嗜鐵微生物的化學成分中獲得靈感。細菌和真菌等微生物含有一種稱為“嗜鐵素（siderophores）”的神秘的自然成分。它可以從其宿主中吸取必要的營養(yǎng)成分例如鐵。他說：“我們本質(zhì)上創(chuàng)造了一種人造的嗜鐵素，以改善材料挑選和綁定鈾的方式。”

該團隊使用計算與實驗方法，開發(fā)出一種稱為“H2BHT”的新穎的官能團。它從海水中其他元素（例如釩）的競爭金屬離子中，優(yōu)先選擇出鈾離子，或者說可溶于水的鈾。

這項基本發(fā)現(xiàn)是依靠原理論證階段的H2BHT高分子吸附劑的良好性能作為后盾的。因為H2BHT具有獨特的化學特性，鈾離子被輕而易舉地“吸收”，或者說綁定到材料纖維的表面。該原型從其他合成材料中脫穎而出，用于增加鈾的存儲空間，生成高度可選擇、可回收的材料，比先前的方法更加高效地回收鈾。

作為一種切實可行的回收方法，鹽水萃取為陸上開采鈾（這些鈾可以維持核電生產(chǎn)達千年）提供了一種可持續(xù)的替代方案。

通過含有礦石的巖石與土壤的天然侵蝕，海水中的鈾礦床非常豐富而且是可補充的。盡管濃度很低，每噸海水中差不多只有3毫克的鈾，但是全世界的海洋蘊藏著豐富的鈾，總共可達40億噸，是陸地上所有鈾資源總和的千倍以上。

然而，自上世紀六十年代以來，為了利用這種潛在的資源，開發(fā)高效的鈾吸附劑一直是科研人員們難以實現(xiàn)的追求。

橡樹嶺國家實驗室的AlexanderIvanov對H2BHT進行了計算研究。他表示：“目標就是低成本地開發(fā)高效的吸附劑材料，這種材料可以在溫和條件下處理來回收鈾，并可重復用于多次萃取循環(huán)。”

在美國能源部核能燃料循環(huán)研究與開發(fā)項目辦公室的支持下，團隊專注于查明影響選擇性的潛在因素，并通過新材料提升可回收的鈾的量。

之前關(guān)于偕胺肟基成分的研究表明，從根本上說，釩比鈾具有更強的吸附力，這是一個難以克服的問題。H2BHT的開發(fā)提供一個替代方案，采用非偕胺肟材料，更好地針對混合金屬水環(huán)境中的鈾。

在通往更加高效的吸附劑材料的道路上，選擇性一直是一塊絆腳石。嘗試和失敗所驅(qū)動的早期進展，發(fā)現(xiàn)偕胺肟基官能團有效地綁定水中的鈾，但是回收釩的效果卻更好，盡管后者在海水中的濃度相對較低。

Popovs表示：“結(jié)果是，目前商用吸附劑的領(lǐng)先者偕胺肟基材料，充滿釩的速度比鈾更快，而去除釩的成本高、難度大。”

這種用于去除釩的高度濃縮的酸性溶液，與溫和處理或者基本處理的溶液相比更加昂貴，并且會受到腐蝕性廢物流的困擾。進一步說，酸性處理會損壞材料纖維，這樣會限制材料的重復使用，使得商用成本高昂。

Popovs表示：“作為一種可擴展的概念，理想地說，不需要的元素不會被吸收，或者在處理期間很容易去除，而且材料可以重復使用幾個循環(huán)，以最大化采集鈾的量。”

價值

不同于裝載釩的材料，H2BHT聚合物可以采用溫和的基礎溶液處理，并且循環(huán)使用。這種環(huán)境友好的特征，也為潛在的真實世界應用顯著地降低了成本。

Popovs表示：“我們的方案標志著一個顯著的飛躍。我們的材料是為從海水中的其他金屬中挑選鈾而專門定制的，并且便于循環(huán)再利用，比之前開發(fā)的吸附劑更加實用和高效。”

未來

研究人員稱，下一步就是為更高的效率和商業(yè)規(guī)模的機遇改進這個方案。