高分子科学前沿山6月7日讯：自然界中，生命体经过亿万年演化，创造了一系列神奇的固液复合材料，实现了各种丰富的功能，例如猪笼草表层的液体能使表面超滑移；细胞核孔内的液体状蛋白能促进孔道内药物输运并避免结垢；肺泡孔中的表面活性剂液体层可实现呼吸的顺畅和动态门控行为。将固体材料的力学可靠性和液体材料的流动性与适应性有效利用，利用微纳多孔空间来限域功能液体，可发展出一类人工高性能固液复合材料，能带来自适应、疏水、抗污、自修复、光学可调、高效吸附等特性。固液复合材料兼具优异的力学和动态界面行为以及固、液体之间可控的微观相互作用，令其在气体捕获、膜分离、光学、能源器件等领域具有广泛应用。然而，如何精准构筑多孔限域固液复合材料，来实现液体界面的高效离子传输并保证微纳空间内动态液体界面的稳定性面临着重大挑战。

针对这一挑战，中国科学院苏州纳米所张学同团队与樊炤川团队合作开发了一种气凝胶限域固液复合膜，实现了动态、高效的铀资源提取。该材料以凯夫拉气凝胶膜作为纳米多孔基体，以杯芳烃/磷酸三丁酯作为功能液体，具有优异的稳定性、固液界面黏附性和高离子选择性（对铀酰离子的选择性是其他竞争离子的250~6510倍）。进一步，通过在固液复合膜上引入动态界面调控策略，动态交变压力下铀提取效率可达258.48 mg·g-1·h-1。这种方法就像真实海水的周期性“潮涨潮退”，有望给铀提取膜材料带来自更新能力和丰富的离子接触位点，展现了广阔的应用前景。该研究以题为“Kevlar Aerogel-Confined Functional Liquid-Based Composite Membrane Enables Dynamic Uranium Capture”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上，第一作者为苏州纳米所盛智芝副研究员，通讯作者为张学同研究员与樊炤川研究员。

这项研究工作通过溶胶凝胶化学组装、冷冻干燥、致密化和疏水功能化获得了高孔隙率、高比表面积，并兼具机械性能优异、化学稳定性和热稳定性高的凯夫拉气凝胶膜，该多孔基体为功能液体提供了丰富的微纳限域空间。通过设计与铀酰离子具有选择性配位的杯芳烃和磷酸三丁酯制备了铀识别功能液体。通过合理的化学适配性、浸润性和黏附性调控形成了气凝胶限域固液复合膜（ALCM，功能液体占83 wt.%，图1）。进一步，在固液复合膜两侧构建了含铀料液/功能液、功能液/反萃取液两个不互溶的液/液界面，其中多孔固体承担了力学支持性能，功能液体承担了离子捕获与抗污性能。在固液复合膜的料液侧施加动态交变压力（ΔP）,循环泵送料液与反萃取液，实现了铀酰离子的动态传输和连续捕获；交变压力有效增强了离子跨膜传输效率，大大降低了复合膜两侧的扩散层厚度，并增加了目标离子的自更新能力与接触位点。

图1. 气凝胶限域固液复合膜高效提铀的原理。

总结

该研究工作中提出一种气凝胶限域固液复合膜的设计策略，实现了动态、高效的铀资源提取，一方面，为新型固液复合材料的发展提供了新的设计思路；另一方面，为从海水中开采铀资源提供新的可能性，以促进可持续的战略性核能资源开发。这种新型的固液复合膜材料和技术也可以扩展到其他离子分离或金属资源纯化，具有极大的应用潜力。（本刊有删节）详情见高分子科学前沿公众号