鈾（Uranium）的原子序數為92的元素，其元素符號是U，是自然界中能夠找到的最重元素。在自然界中存在三種同位素，均帶有放射性，擁有非常長的半衰期（數億年~數十億年）。

其中，鈾235是鈾元素里中子數為143的放射性同位素，是自然界至今唯一能夠發生可控裂變的同位素，主要用做核反應中的核燃料，也是制造核武器的主要原料之一。

瑞士洛桑聯邦理工學院研究使用的小型核反應堆（圖片來源：維基百科）

創新

近日，來自美國能源部橡樹嶺國家實驗室、勞倫斯伯克利國家實驗室、加州大學伯克利分校、南佛羅里達大學的科研團隊開發出一種材料，它可以通過一種低成本的高分子吸附劑，選擇性地綁定溶解的鈾。

這項研究成果發表在《自然通信（NatureCommunications）》期刊上，論文標題為："Siderophore-InspiredChelatorHijacksUraniumfromAqueousMedium"。以前，從海洋中提取鈾資源進行可持續能源生產在成本和效率方面存在瓶頸，而這項研究有助于突破這些瓶頸。

技術

橡樹嶺國家實驗室化學科學部的IljaPopovs從嗜鐵微生物的化學成分中獲得靈感。細菌和真菌等微生物含有一種稱為“嗜鐵素（siderophores）”的神秘的自然成分。它可以從其宿主中吸取必要的營養成分例如鐵。他說：“我們本質上創造了一種人造的嗜鐵素，以改善材料挑選和綁定鈾的方式?！?br/>
該團隊使用計算與實驗方法，開發出一種稱為“H2BHT”的新穎的官能團。它從海水中其他元素（例如釩）的競爭金屬離子中，優先選擇出鈾離子，或者說可溶于水的鈾。

這項基本發現是依靠原理論證階段的H2BHT高分子吸附劑的良好性能作為后盾的。因為H2BHT具有獨特的化學特性，鈾離子被輕而易舉地“吸收”，或者說綁定到材料纖維的表面。該原型從其他合成材料中脫穎而出，用于增加鈾的存儲空間，生成高度可選擇、可回收的材料，比先前的方法更加高效地回收鈾。

作為一種切實可行的回收方法，鹽水萃取為陸上開采鈾（這些鈾可以維持核電生產達千年）提供了一種可持續的替代方案。

通過含有礦石的巖石與土壤的天然侵蝕，海水中的鈾礦床非常豐富而且是可補充的。盡管濃度很低，每噸海水中差不多只有3毫克的鈾，但是全世界的海洋蘊藏著豐富的鈾，總共可達40億噸，是陸地上所有鈾資源總和的千倍以上。

然而，自上世紀六十年代以來，為了利用這種潛在的資源，開發高效的鈾吸附劑一直是科研人員們難以實現的追求。

橡樹嶺國家實驗室的AlexanderIvanov對H2BHT進行了計算研究。他表示：“目標就是低成本地開發高效的吸附劑材料，這種材料可以在溫和條件下處理來回收鈾，并可重復用于多次萃取循環?！?br/>
在美國能源部核能燃料循環研究與開發項目辦公室的支持下，團隊專注于查明影響選擇性的潛在因素，并通過新材料提升可回收的鈾的量。

之前關于偕胺肟基成分的研究表明，從根本上說，釩比鈾具有更強的吸附力，這是一個難以克服的問題。H2BHT的開發提供一個替代方案，采用非偕胺肟材料，更好地針對混合金屬水環境中的鈾。

在通往更加高效的吸附劑材料的道路上，選擇性一直是一塊絆腳石。嘗試和失敗所驅動的早期進展，發現偕胺肟基官能團有效地綁定水中的鈾，但是回收釩的效果卻更好，盡管后者在海水中的濃度相對較低。

Popovs表示：“結果是，目前商用吸附劑的領先者偕胺肟基材料，充滿釩的速度比鈾更快，而去除釩的成本高、難度大?！?br/>
這種用于去除釩的高度濃縮的酸性溶液，與溫和處理或者基本處理的溶液相比更加昂貴，并且會受到腐蝕性廢物流的困擾。進一步說，酸性處理會損壞材料纖維，這樣會限制材料的重復使用，使得商用成本高昂。

Popovs表示：“作為一種可擴展的概念，理想地說，不需要的元素不會被吸收，或者在處理期間很容易去除，而且材料可以重復使用幾個循環，以最大化采集鈾的量。”

價值

不同于裝載釩的材料，H2BHT聚合物可以采用溫和的基礎溶液處理，并且循環使用。這種環境友好的特征，也為潛在的真實世界應用顯著地降低了成本。

Popovs表示：“我們的方案標志著一個顯著的飛躍。我們的材料是為從海水中的其他金屬中挑選鈾而專門定制的，并且便于循環再利用，比之前開發的吸附劑更加實用和高效。”

未來

研究人員稱，下一步就是為更高的效率和商業規模的機遇改進這個方案。