Science Bulletin | 打破牺牲剂依赖：共轭有机聚合物让海水变身可持续铀来源

海水中蕴藏着约45亿吨铀资源，是陆地铀矿储量的千倍以上，被视为支撑核能长期可持续发展的重要潜在资源。然而，海水中铀浓度极低且共存离子复杂，高效、绿色铀提取面临巨大挑战。

近日，海南大学海洋科学学院联合中广核研究院有限公司的研究团队，设计并构建了一种新型共轭有机聚合物光催化材料，在无需外加牺牲剂的条件下，实现了对天然海水中铀的高效、选择性提取。相关研究成果以“Conjugated organic polymer enables external-sacrificial-agent-free photocatalytic uranium extraction with efficiency boosted by oxygen pre-activation”为题，发表于Science Bulletin。

研究亮点

1. 实现无外加牺牲剂的光催化海水提铀，以水本身作为反应参与者，显著提升绿色环保性与实用潜力。

2. 通过分子结构精准设计，协同促进溶解氧活化与水氧化反应，显著提高铀富集效率。

3. 在天然海水中7天内实现19.80 mg g−1的铀提取容量，性能位居同类材料前列。

研究背景

在“双碳”目标背景下，核能因其高能量密度和低碳排放，被认为是未来清洁能源体系的重要组成部分。然而，传统陆地铀矿资源正逐步枯竭，且开采过程伴随显著的环境风险，严重制约核能的可持续发展。

相比之下，海水中蕴藏着规模巨大的铀资源，但由于其浓度极低且化学环境复杂，提取过程对材料性能要求极高。现有海水提铀技术主要依赖吸附或光催化方式，其中光催化法具有反应速率快、理论容量高等优势，但普遍依赖醇类等外加牺牲剂来消耗光生空穴，这在真实海洋环境中难以规模化。因此，开发无需外加牺牲剂、可直接利用水和溶解氧的光催化材料，成为海水提铀领域亟需突破的关键科学问题。

成果简介

该研究通过分子工程策略构建了含苯并噻二唑与吡啶结构单元的共轭有机聚合物，并进一步引入偕胺肟基团，获得功能化光催化材料BB-COP-AO。其共轭骨架与供受体结构协同优化能带分布，促进光生电子−空穴高效分离。吡啶氮位点可吸附并预活化溶解氧，显著增强超氧自由基（·O2−）生成。同时合适的价带位置使光生空穴能够氧化水生成过氧化氢（H2O2），从而摆脱对外加牺牲剂的依赖。偕胺肟基团则赋予对铀酰离子的高选择性结合与高效富集能力。在氧活化和水氧化的双通道协同机制作用下，BB-COP-AO可将海水中可溶性铀稳定转化为结晶态水丝铀矿。该体系在天然海水中7天实现19.80 mg g−1的铀提取容量，并表现出良好的抗干扰与可重复使用性能。

图文导读

图1. 用于高效、无需外加牺牲剂的光催化海水提铀的共轭有机聚合物作用机制示意图。

图2. 共轭有机聚合物的光催化提铀机理。（a）光催化反应后BB-COP-AO的TEM图像及其对应的元素分布图。（b）光催化反应前后BB-COP-AO的XRD图谱。（c）在BB-COP-AO上形成的铀产物的HRTEM图像。（d）可见光照射下COPs诱导的DMPO-·O2−自旋加合物的EPR光谱。（e）在O2气氛下光照30 min后，COPs的NBT转化效率对比。（f）在电子牺牲剂和不同氧物种存在条件下，BB-COP-AO的光催化铀提取性能。（g）BB-COP-AO的光催化铀提取机理示意图。（h）通过结构优化提升COPs铀提取性能的策略示意图。