Nano Research: 青海鹽湖所研發新型MOF微馬達實現光驅動高效提取鈾資源

近日，青海鹽湖研究所溶液結構與界面課題組(周永全研究員團隊)與深圳大學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域取得重要進展。研究團隊通過拓撲結構畸變策略，成功構建了一類具有高水穩定性、熒光特性和自驅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仿生行為研究中展現出獨特優勢。研究成果以“Highly stable spherical metal-organic framework micromotors engineered via topological distortion for photocatalytic uranium extraction”為題發表于Nano Research(一區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展的關鍵戰略物資，其在水環境中的遷移和毒性也構成長期環境風險。傳統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能力，為水處理提供了新思路，但MOF基馬達的水穩定性與復雜集群行為的調控仍是領域內重大挑戰。研究團隊獨辟蹊徑，選用具有大金屬節點的鋅-腺嘌呤框架，以短鏈對苯二甲酸替代傳統長鏈聯苯二甲酸作為有機連接子。這一“拓撲畸變”設計增強了金屬-配體鍵的疏水性與空間位阻，使得所構建的ZABDC微馬達在水相中展現出優異的長期穩定性。該微馬達呈球形囊泡結構，尺寸約2微米，具有分級多孔結構和高比表面積（1327 m2/g）。

研究表明，ZABDC微馬達可在低濃度過氧化氫（0.3 wt%）燃料中實現自主運動，速度約7微米/秒；在可見光照射下，其速度可協同增強至約15微米/秒。通過COMSOL多物理場模擬，團隊證實其驅動機制源于催化分解產生的離子梯度誘導的自擴散泳效應。在鈾離子（UO?2?）提取應用中，ZABDC微馬達展現出卓越性能。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，在復雜鹽湖鹵水基質中的分配系數（Kd）達1.0×10? mL/g。特別值得關注的是，吸附于表面的鈾酰離子在光催化下進一步轉化為亞穩態的晶質鈾礦（studtite）納米顆粒，實現了從溶解態到固態的有效固定與分離。

研究還發現了一個有趣的仿生現象：在由活性ZABDC微馬達與惰性膠體粒子組成的二元體系中，通過改變燃料濃度，可調控出“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動的擴散泳相互作用，為理解活性物質復雜動力學及發展智能微納器件提供了新模型。

該研究構建的“一體化”MOF微馬達平臺，將MOF的結構可設計性、微納馬達的自驅動特性與光催化功能有機結合，不僅在復雜水體中放射性核素的高效提取方面展現出應用潛力，也為探索活性物質非平衡態行為提供了基礎研究模型。相關策略可拓展至MOF材料庫中其他結構，為開發面向環境與能源領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。

論文鏈接:https://doi.org/10.26599/NR.2026.94908602