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  核能是碳中和的關(guān)鍵支柱，但鈾礦開采和冶煉產(chǎn)生的放射性廢水嚴(yán)重威脅生態(tài)與健康。現(xiàn)有鈾提取技術(shù)常受限于被動擴(kuò)散效率低、需化學(xué)調(diào)pH引發(fā)二次污染，以及吸附位點(diǎn)易飽和等瓶頸。本研究創(chuàng)新設(shè)計一種基于陽離子交換反應(yīng)（CIEX）的微反應(yīng)器，通過局部pH調(diào)節(jié)、自發(fā)產(chǎn)生的長程泵流、動態(tài)自主運(yùn)動與吸附-光還原協(xié)同突破傳統(tǒng)局限！

要點(diǎn)分析

要點(diǎn)一：
  CIEX自發(fā)產(chǎn)生長程泵流與局部pH梯度，打破吸附-脫附平衡，實(shí)現(xiàn)鈾離子向吸附/還原劑CPCCN的主動傳輸。此過程無需機(jī)械攪拌或化學(xué)試劑調(diào)pH，從源頭杜絕二次污染，且動態(tài)混合使處理速度提升。

要點(diǎn)二：
  這種微反應(yīng)器兼具吸附與還原性能，在120分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)1556 ± 44.5 mg/g的顯著鈾去除容量。

要點(diǎn)三：
  微反應(yīng)器對鈾酰離子展現(xiàn)超高選擇性，可對抗復(fù)雜水體中競爭陽離子干擾。

圖1. a) CPCCN的制備過程。b) 離子交換誘導(dǎo)的pH梯度和長程流場用于組裝CIEX和CPCCN的示意圖。c) CPCCN在不同放大倍數(shù)下的FESEM圖像。d) g-C₃N₄、CdS、CdS/g-C₃N₄和CPCCN的紫外-可見光譜。e) g-C₃N₄、CdS和CdS/g-C₃N₄的密度泛函理論（DFT）能帶結(jié)構(gòu)。f) g-C₃N₄、CdS、CdS/g-C₃N₄和CPCCN的熒光光譜。g-C₃N₄、CdS、CdS/g-C₃N₄和CPCCN的g)光電流曲線和h)電化學(xué)阻抗譜。

圖2. a) CIEX的FESEM圖像。b) CIEX產(chǎn)生的pH梯度彩色數(shù)字圖像。CIEX離子交換過程產(chǎn)生的c) pH梯度、d) 電位和e) 流場的數(shù)值模擬。f) 在CIEX產(chǎn)生的3D流場中示蹤顆粒的實(shí)驗軌跡。g) 距離CIEX中心徑向距離與收斂流速的衰減關(guān)系。圖中顯示的是20條速度曲線平均后的均值±標(biāo)準(zhǔn)差。實(shí)驗測得的示蹤顆粒向h) H-CIEX和i) Na-CIEX的軌跡，顏色表示示蹤顆粒的瞬時速度。

圖3. a) 由CPCCN組裝引起的對稱性打破導(dǎo)致的CIEX和CPCCN微反應(yīng)器運(yùn)動示意圖，這種對稱性打破反過來又增強(qiáng)了CPCCN的動態(tài)吸引力。CIEX和CPCCN在 b)純水中和c)鈾溶液中的運(yùn)動過程。CIEX和CPCCN的軌跡以顏色顯示其瞬時速度。d) 微反應(yīng)器的速度與CIEX尺寸的關(guān)系。誤差條顯示平均值±標(biāo)準(zhǔn)差（n=30個數(shù)據(jù)點(diǎn)）。插圖為不同尺寸CIEX的微反應(yīng)器顯微照片。刻度尺：50 μm。e) 在 50 ± 3 μm 距離處，CPCCN 在不同離子強(qiáng)度下的最大趨近速度。誤差條顯示平均值± 標(biāo)準(zhǔn)差（n = 30 個數(shù)據(jù)點(diǎn)）。f) 在不同離子強(qiáng)度下，固定 CIEX 產(chǎn)生的吸引范圍。誤差條顯示平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)差（n = 30 個數(shù)據(jù)點(diǎn)）。

圖4. a) 在黑暗條件下，不同CIEX與CPCCN質(zhì)量比的微反應(yīng)器鈾提取性能（鈾濃度：30 ppm）。b) 在黑暗和光照條件下，不同CPCCN與CIEX質(zhì)量比的微反應(yīng)器鈾提取性能比較（鈾濃度：30 ppm）。c) 在黑暗和光照條件下，有無離子交換的微反應(yīng)器的鈾提取性能比較（鈾濃度：30 ppm）。d)純擴(kuò)散和流場加速擴(kuò)散驅(qū)動的離子擴(kuò)散COMSOL模擬結(jié)果。e) 鈾濃度在第1線和第2線隨到右邊緣距離變化的情況。f) 通過密度泛函理論（DFT）計算確定的CPCCN上功能基團(tuán)與鈾離子之間的優(yōu)化結(jié)構(gòu)和結(jié)合能。g) 微反應(yīng)器鈾提取機(jī)制。

圖5. a) 不同濃度鈾溶液中微反應(yīng)器在黑暗和光照條件下的性能對比。b) 不同鈾添加非海水中微反應(yīng)器在黑暗和光照條件下的性能對比（鈾濃度：10 ppm）。c) CIEX在三種非海水中產(chǎn)生的流體流動。圖中顯示的是平均值±標(biāo)準(zhǔn)差（n=20條速度曲線）。d) CIEX在三種非海水中產(chǎn)生的流速以及e) 吸引距離隨時間的變化。誤差棒顯示平均值± 標(biāo)準(zhǔn)差（n = 30 個數(shù)據(jù)點(diǎn)）f) CIEX 在三種非海水中產(chǎn)生的 pH 梯度顏色圖。g) 微反應(yīng)器在模擬受污染地下水中鈾的提取，同時存在其他金屬離子（U：30.0 ppm，Na⁺：24.9 ppm，Ca²⁺：26.7 ppm， K⁺：2.4 ppm，Mg²⁺：12.1 ppm，Fe³⁺：4.8 ppm，Mn²⁺：2.0 ppm，Sr²⁺：2.0 ppm）。h) 各種離子的分配系數(shù)Kd值。i) 微反應(yīng)器的可重復(fù)使用性。

圖6. a)光照后CPCCN的EDS圖。b) 光照前后的CPCCN的XRD圖。插圖顯示了鈾提取前后樣品的圖像。c) CPCCN在光照前后的XPS光譜。d) CPCCN在光照后的U 4f光譜。e) CPCCN在光照前后的O 1s擬合光譜。f) 微反應(yīng)器與其他吸附劑的鈾提取比較。

  相關(guān)研究成果以題為“Ion Exchange-Based Microreactors Harness Self-Generated pH Gradients and Long-range Flow for Dual-Enhanced Uranium Extraction”的論文發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。論文第一作者是陳玲，文章通訊作者是牛冉研究員，文章單位是華中科技大學(xué)。

  原文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202509597

作者簡介：

  牛冉，華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院研究員、博士生導(dǎo)師、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃青年項目首席科學(xué)家，主要研究領(lǐng)域為功能高分子材料及微納米機(jī)器人。目前以第一或通訊作者身份在PRL、PNAS、Sci. Adv.、ACS Nano、Adv. Sci., Small、Chem. Eng. J.、J. Hazard. Mater.、J. Mater. Chem. A、Energy Environ. Mater.、ACS Appl. Mater. Interfaces等具有重要影響力的國際刊物上發(fā)表SCI論文80余篇，獲授權(quán)專利5項，申請專利9項。主持承擔(dān)國家自然科學(xué)基金、重點(diǎn)研發(fā)計劃青年科學(xué)家項目、重點(diǎn)研發(fā)計劃子課題等國家和省部級科技項目多項，并獲得湖北省海外高層次人才計劃、武漢英才等多項榮譽(yù)獎勵。擔(dān)任Rare Metals期刊 (中科院1區(qū)，影響因子6.3)，Exploration、Energy Materials和Green Carbon期刊青年編委。