海水中鈾的蘊藏量超40億噸，相當于陸地鈾礦儲量的一千倍，從海水中有效提取鈾將助力我國核工程領域長久發展。然而，由于海水中的鈾濃度相對較低(~3.3 ppb)，因此，開發出選擇性好、吸附容量高、可重復使用的海水提鈾吸附劑尤為重要。
固有微孔聚合物因其高比表面積與豐富的吸附位點在吸附領域具有廣闊前景，然而微孔內較高的傳質阻力常導致離子擴散受阻，表現出的吸附性能不足。自然界中存在大量分形結構，如動物血管、植物導管等。這些分形結構可以以最小的能量消耗在最大程度上實現物質交換與傳遞。受此啟發，將分級多孔結構引入吸附劑內部，可以有效解決離子在三維無序的微孔內擴散受阻的問題。
中國科學院理化技術研究所研究員聞利平課題組開發出基于固有微孔聚合物的仿生分級多孔吸附膜。其中逐級遞減的孔徑結構允許鈾酰離子在膜內快速擴散，進而充分利用微孔內豐富的吸附位點。測試表明該分級多孔膜可以將吸附容量提升至原來的20倍。此外，該膜也在天然海水中進行了為期四周的吸附測試，結果顯示其吸附容量達到9.03mg/g。該工作提出的微結構設計方案可以同時推廣到一大類微孔聚合物吸附劑設計中，以實現核能原料的可持續提供。
聞利平及其團隊成員長期致力于仿生微納孔材料的制備及應用探索，通過研究和設計各種仿生微納孔材料，揭示孔道內物質運輸的規律，從而調控微孔材料內部物質傳輸性能，使其適用于海洋滲透能轉化、離子篩分與富集等相關領域。
相關研究成果以Bioinspired Hierarchical Porous Membrane for Efficient Uranium Extraction from Seawater為題，發表在Nature Sustainability上。研究工作得到國家重點研發計劃和國家自然科學基金的支持。
海水提鈾仿生分級多孔膜設計示意圖
