中国科学院理化所杨林森/闻利平Matter：仿枫香树果实分级多孔纳米陷阱材料实现高效海水提铀 | Cell Press论文速递

物质科学

Physical science

2025年3月24日，中国科学院理化技术研究所闻利平研究员团队报道了一种受枫香树果实结构启发的仿生分级多孔纳米陷阱材料，可实现高效的海水铀提取。该材料通过引入仿生分级传质通道，有效促进铀酰离子在多孔结构中的扩散，突破了传统吸附材料在传质效率与吸附选择性之间难以兼顾的性能瓶颈，兼具高选择性与高吸附容量。

相关成果以题为“Liquidambar formosana fruit-inspired hierarchical nano-trap framework for efficient uranium extraction from seawater”的论文发表在Cell Press细胞出版社旗下期刊Matter上。论文的通讯作者为杨林森特别研究助理和闻利平研究员，第一作者为张哲华。

研究亮点

仿枫香树果实的分级多孔吸附剂提升传质效率；

仿生结构中的纳米陷阱实现高选择性吸附；

仿生策略显著提升材料在真实海水中的铀吸附能力；

研究背景

海水中蕴藏着大量铀资源，从海水中提取铀被视为实现核燃料可持续供应的潜在途径。然而，海水中铀浓度极低（约3.3 μg/L），且共存有钒、铁、钙、镁等多种竞争离子，这对吸附材料在复杂环境中的选择性提出了极高要求。

近年来，研究人员通过在多孔框架材料中引入“nano-trap（纳米陷阱）”结构，显著提高了材料对铀酰离子的选择性。这种结构通过对孔径与配位基团的精细调控，实现了对铀酰离子的优先识别和牢固结合，在多种金属离子中具备出色的分离能力。然而，该类结构往往伴随着显著的传质阻力，限制了离子向内扩散的速率，导致吸附速率下降、容量受限。如何在高选择性与高容量之间实现兼顾，成为当前材料设计的核心挑战。

针对这一问题，研究团队从自然界中汲取灵感，深入研究并借鉴了枫香树（Liquidambar formosana）果实的分级多孔结构特征，构建了一种仿生“分级纳米陷阱”框架材料。在保留纳米陷阱对铀酰离子的高选择性的同时，引入径向传质通道，显著降低了扩散阻力，提升了离子扩散效率和吸附位点的可达性。实验结果显示，该仿生结构使材料在真实海水中的铀吸附容量提升至原来的150%，为高效海水提铀材料的开发提供了新思路。

图1. 纳米陷阱材料吸附选择性与容量间的“trade-off”及仿生设计策略。

文本要点

要点1：研究了枫香树果实中的分级结构及其超快传质性质

在本研究中，团队首先观察了枫香树（Liquidambar formosana）果实独特的分级多孔结构。通过micro-CT扫描和扫描电镜（SEM）观察，发现其果实由放射状大孔与纤维束间的小孔协同构成，形成了从外壳至内部的多级传质通道。染料扩散实验进一步证实，该天然结构具备极高的传质效率，液体能够在短时间内快速渗透至果实深层。这一自然界中的“超快传质”体系为功能材料设计提供了重要启示。

图2.枫香树果实中的分级多孔结构和其超快传质效率。

要点2：仿生构建分级多孔纳米陷阱材料

受枫香果实高效传质结构的启发，研究团队构建了一种具备分级多孔结构的仿生纳米陷阱材料。通过软模板法在金属有机框架（MOF）中引入径向传质通道，形成了多尺度孔道网络，显著提升了铀酰离子向内部活性位点的传输效率。在此基础上，通过进一步调控模板剂用量，系统考察了孔径大小、孔密度、孔壁厚度等结构参数对吸附性能的影响。实验结果表明，优化的分级孔结构不仅有效缓解了传统纳米陷阱的传质瓶颈，还激活了更多内部吸附位点，实现了吸附容量与速率的协同提升。

图3. 仿生分级多孔 HPUiO-AOs 的合成及其对铀酰离子的吸附性能。

要点3：实现优异的海水铀吸附性能

性能测试结果显示，该仿生纳米陷阱材料在实际海水环境中展现出优异的铀吸附能力，其吸附容量较传统结构提升至原来的150%。同时，该材料对铀酰离子表现出显著的选择性，在多种共存金属离子干扰下仍保持高分配系数和良好的选择性因子，尤其在与钒、铁等典型竞争离子共存时依然能够优先富集铀离子，验证了其实际应用潜力。

图4.HPUiO-AO-200的综合铀吸附性能评估结果。

主要结论

本研究通过仿生设计策略，成功构建了一种兼具高选择性与高容量的分级多孔纳米陷阱材料，系统解决了传统纳米陷阱材料在海水提铀中面临的传质瓶颈问题。结合天然结构启发与结构参数优化，该材料在真实海水环境中实现了吸附性能的大幅提升，并表现出优异的抗干扰能力。该工作为新一代高效海水提铀材料提供了设计新思路。

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研究成果发表在Cell Press

旗下期刊Matter上

▌论文标题：

Liquidambar formosana fruit-inspired hierarchical nano-trap framework for efficient uranium extraction from seawater

▌论文网址：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2590238525000980

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.matt.2025.102055