科研進展
青海鹽湖所研發(fā)新型MOF微馬達實現(xiàn)光驅(qū)動高效提取鈾資源
近日，青海鹽湖研究所溶液結(jié)構(gòu)與界面課題組(周永全研究員團隊)與深圳大學(xué)高永祥教授團隊在先進功能材料與核燃料資源回收交叉領(lǐng)域取得重要進展。研究團隊通過拓撲結(jié)構(gòu)畸變策略，成功構(gòu)建了一類具有高水穩(wěn)定性、熒光特性和自驅(qū)動功能的球形金屬有機框架（MOF）微馬達，在光催化鈾提取與活性物質(zhì)仿生行為研究中展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。研究成果以“Highly stable spherical metal-organic framework micromotors engineered via topological distortion for photocatalytic uranium extraction”為題發(fā)表于Nano Research(一區(qū)TOP)。青海鹽湖研究所為第一單位，Ikram Muhammad 助理研究員為第一作者。
鈾資源不僅是核能發(fā)展的關(guān)鍵戰(zhàn)略物資，其在水環(huán)境中的遷移和毒性也構(gòu)成長期環(huán)境風(fēng)險。傳統(tǒng)鈾吸附材料往往受限于吸附速率慢、選擇性不足及需外部攪拌等問題。微納米馬達憑借自主運動與高效傳質(zhì)能力，為水處理提供了新思路，但MOF基馬達的水穩(wěn)定性與復(fù)雜集群行為的調(diào)控仍是領(lǐng)域內(nèi)重大挑戰(zhàn)。研究團隊獨辟蹊徑，選用具有大金屬節(jié)點的鋅-腺嘌呤框架，以短鏈對苯二甲酸替代傳統(tǒng)長鏈聯(lián)苯二甲酸作為有機連接子。這一“拓撲畸變”設(shè)計增強了金屬-配體鍵的疏水性與空間位阻，使得所構(gòu)建的ZABDC微馬達在水相中展現(xiàn)出優(yōu)異的長期穩(wěn)定性。該微馬達呈球形囊泡結(jié)構(gòu)，尺寸約2微米，具有分級多孔結(jié)構(gòu)和高比表面積（1327 m2/g）。
研究表明，ZABDC微馬達可在低濃度過氧化氫（0.3 wt%）燃料中實現(xiàn)自主運動，速度約7微米/秒；在可見光照射下，其速度可協(xié)同增強至約15微米/秒。通過COMSOL多物理場模擬，團隊證實其驅(qū)動機制源于催化分解產(chǎn)生的離子梯度誘導(dǎo)的自擴散泳效應(yīng)。在鈾離子（UO?2?）提取應(yīng)用中，ZABDC微馬達展現(xiàn)出卓越性能。得益于自主運動、豐富螯合位點（氮/氧）及光催化活性，該材料在可見光照射下對鈾的吸附容量高達406 mg/g，在復(fù)雜鹽湖鹵水基質(zhì)中的分配系數(shù)（Kd）達1.0×10? mL/g。特別值得關(guān)注的是，吸附于表面的鈾酰離子在光催化下進一步轉(zhuǎn)化為亞穩(wěn)態(tài)的晶質(zhì)鈾礦（studtite）納米顆粒，實現(xiàn)了從溶解態(tài)到固態(tài)的有效固定與分離。
研究還發(fā)現(xiàn)了一個有趣的仿生現(xiàn)象：在由活性ZABDC微馬達與惰性膠體粒子組成的二元體系中，通過改變?nèi)剂蠞舛?，可調(diào)控出“捕食-逃避”與“集群游動”等類似生物群體的集體行為。這一源于自生離子梯度驅(qū)動的擴散泳相互作用，為理解活性物質(zhì)復(fù)雜動力學(xué)及發(fā)展智能微納器件提供了新模型。
該研究構(gòu)建的“一體化”MOF微馬達平臺，將MOF的結(jié)構(gòu)可設(shè)計性、微納馬達的自驅(qū)動特性與光催化功能有機結(jié)合，不僅在復(fù)雜水體中放射性核素的高效提取方面展現(xiàn)出應(yīng)用潛力，也為探索活性物質(zhì)非平衡態(tài)行為提供了基礎(chǔ)研究模型。相關(guān)策略可拓展至MOF材料庫中其他結(jié)構(gòu)，為開發(fā)面向環(huán)境與能源領(lǐng)域的新一代智能功能材料開辟了新路徑。
圖1. ZABDC MOF的合成與形貌，以及在有無外加H?O?條件下暗處與光照下的鈾提取過程，并附有鈾吸附的示意圖
本研究得到了國家自然科學(xué)基金國際青年科學(xué)家項目(22150410328)、青海省杰出青年科學(xué)基金(2025-ZJ-967J), 中國科學(xué)院青海鹽湖研究所科研基金(E355HX01)及昆侖英才高端創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才計劃等的資助。感謝KEK-Photon Factory提供的EXAFS實驗支持(2025G131)。
論文鏈接: https://doi.org/10.26599/NR.2026.94908602?
審核：葛飛
