共价有机框架中电化学可及性设计实现高效铀电沉积提取

这篇研究通过将导电聚合物（PEDOT）渗透到吸附剂（COF）孔隙中，显著提升了电化学铀提取效率。团队设计的sp2c-COF-AO材料结合脉冲电流技术，在模拟海水中实现26.5 g/g的铀吸附容量，比传统物理混合电极高4倍，且从天然海水中获得17.4 mg/g的提取量。该策略为电驱动过程提供了活性位点电子传输的优化方案。

　　

合成与表征

研究聚焦核能可持续发展需求，设计了一种基于C=C连接的共价有机框架（sp²c-COF），通过Knoevenagel缩合反应构建全π共轭结构。该材料经偕胺肟化修饰后（sp²c-COF-AO），比表面积达297 m²/g，孔径1.8 nm。创新性地将聚(3,4-乙烯二氧噻吩)（PEDOT）限域在COF孔道中，形成分子级导线网络，复合材料电导率跃升至135 S/m，较原始COF提升6个数量级。

铀吸附机制

循环伏安测试揭示，PEDOT@sp²c-COF-AO在-0.62 V（vs SHE）处出现U(VI)→U(V)还原峰，电流响应强度比物理混合电极高10倍。密度泛函理论计算显示，偕胺肟基团与UO₂²⁺的吸附能达-16.45 eV。在400 ppm铀模拟海水中，该电极实现26.5 g/g的突破性吸附容量，远超传统碳黑混合电极（4.8 g/g）。

电沉积机理

通过原位拉曼和HAADF-STEM观察到独特的铀物种转化路径：UO₂²⁺→UO₂→UO₃·xH₂O。氯化钠电解产生的Cl₂参与形成原电池，驱动UO₂氧化，使海水中铀提取效率比纯水体系提高2倍。XRD与XPS证实沉积物为γ-UO₃（JCPDS 43-0364），晶面间距0.32 nm对应(111)晶面。

实际应用验证

在天然海水连续56天测试中，材料实现17.4 mg/g的铀提取量，富集指数达1.1×10⁷。脉冲电流（400 Hz，-5~0 V）技术抑制水电解副反应，使铀去除率>99%。电极经HNO₃/NaHCO₃再生8次后性能无衰减，且对U/Cu/Fe的分离因子达3.5。

该研究为多孔材料-导电聚合物杂化体系提供了普适性设计范式，其分子级电子传输机制可拓展至金等贵金属提取领域。通过同步辐射等表征手段，团队首次揭示了铀电沉积过程中的价态演变规律，为海洋铀资源开发提供了新思路。