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清华大学叶钢&卡耐基梅隆大学K. Matyjaszewski:具有构象优势的嵌段型电纺膜海水提铀材料

公司新闻    2022-08-31 16:13

海水提铀作为一种非常规铀资源的获取方式,近年来一直是国际国内的研究热点。2016年《Nature》撰文将海水提铀列为有望“改变世界的七项化学分离技术”之一。过去20年内,针对海水提铀聚合物材料的设计和研发主要集中于微观尺度与宏观尺度,对介观尺度下聚合物链段空间构象与其吸附行为的关系这一科学问题缺乏认识(图1),现有报道的大多数海水提铀材料远远无法兑现其理论上的吸附容量,功能配体利用率极低。

 

图1 宏观、介观和微观尺度下海水提铀聚合物性能的影响因素

 

近期,清华大学核研院叶钢副教授研究团队与卡耐基梅隆大学Krzysztof Matyjaszewski教授研究团队合作,定量论证了介观尺度下聚合物链段构象对其吸附性能的影响规律,并结合多尺度计算辅助材料设计与光控大分子合成技术通过使用北京永康乐业ET-2535H静电纺丝机制备了具有链段构象优势的新一代嵌段聚合物(Block copolymers, BCPs)实现了海水提铀纳米纤维膜材料的设计与精准合成(图2)。该研究成果以“Multi-scale computer-aided design and photo-controlled macromolecular synthesis boosting uranium harvesting from seawater”为题,发表在《Nature Communication》上(Nat. Commun., 13, 3918 (2022))。清华大学博士生刘泽宇与中国原子能科学研究院兰友世博士为共同第一作者,清华大学叶钢副教授、卡耐基梅隆大学Krzysztof Matyjaszewski教授为共同通讯作者。

 

图2研究理念及方法示意图

 

研究者通过耗散粒子动力学与分子动力学结合的方式优选了了具有构象优势的嵌段型海水提铀分子PAOm-b-PPEGMAn,随后利用PET-RAFT(Photoinduced electron transfer-reversible addition-fragmentation chain transfer, PET-RAFT)聚合方法,以ZnTPP为光催化剂,CPDT为链转移剂,在连续流聚合体系中实现了偕胺肟前驱体PANm-b-PPEGMAn的可控合成。

通过使用北京永康乐业ET-2535H静电纺丝机,实现了不同链结构嵌段共聚物的静电纺丝。对所得纳米纤维膜肟化,制备成一系列具有纳米纤维膜结构的PAOm-b-PPEGMAn海水提铀材料(图4),并对其在不引入竞争离子的铀加标水溶液中进行吸附测试。

 

图3 BCPs纳米纤维膜的宏观及微观照片

 

测试结果显示,优化链段构象后的PAOm-b-PPEGMAn有着显著提高的铀吸附能力与快速的吸附动力学,且构效关系与计算模拟结果一致。其中嵌段比n/m~0.17:1的BCPs展现出最佳的吸附性能,其吸附容量为纯PAO吸附剂的4倍,且AO配体利用率为纯PAO吸附剂的7倍,这与模拟所预测的最佳嵌段比n/m~0.18:1非常接近,进一步证明了该工作所建立的计算辅助海水提铀材料设计方法的可靠性。随后,研究者对优选的PAOm-b-PPEGMAn提铀材料进行了28天的真实海水吸附测试(图5),该材料表现出优良的铀吸附能力,获得了11.4±1.2mg/g的吸附容量。

 

图4 吸附测试示意图及材料的吸附性能

 

该工作是叶钢副教授研究团队有关功能性嵌段共聚物材料研究的最新进展之一。嵌段共聚物的链段组成和结构(如分子量及其分布、嵌段比)对其性能有着显著影响。叶钢副教授研究团队近几年开发了多种不同的光控自由基聚合体系(Angew. Chem. Int. Ed, 57. 37 (2018): 12037; Angew. Chem. Int. Ed, 58. 35 (2019): 12096),用于实现具有特定链段组成和结构的嵌段共聚物的精准合成。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-022-31360-x