铀是核反应堆的主要原料，确保其长期供应对于推动全球向低碳能源系统的转型至关重要[1]。然而，传统的陆地铀储量是有限的，可能在一个世纪内耗尽[2]，[3]。相比之下，世界海洋中蕴藏着大量的溶解铀——估计约为45亿吨，几乎是已知陆地储量的三个数量级——这为长期供应提供了一种可行的替代方案[4]，[5]，[6]。然而，由于海水中铀的浓度极低（约3.3 μg L⁻¹）以及复杂的海洋环境[7]，[8]，[9]，从海水中提取铀仍然特别具有挑战性。因此，开发能够直接从天然海水中回收铀的高效提取技术对于确保核能的长期可持续性和韧性具有战略意义。
迄今为止，基于聚合物的吸附材料，尤其是那些经过酰胺肟基团功能化的材料，在从海水中提取铀的领域引起了广泛关注，因为它们对铀酰离子具有良好的亲和力和选择性[10]，[11]，[12]，[13]，[14]，[15]，[16]。例如，聚酰胺肟（PAO）是通过酰胺肟化反应从聚丙烯腈制备而成的，由于其良好的亲水性和丰富的开链酰胺肟基团以及高亲和力的环状酰亚胺二肟基团，已被广泛用于制备多孔聚合物吸附材料以从海水中提取铀[17]，[18]，[19]，[20]，[21]，[22]。然而，这些由PAO制备的多孔铀吸附材料仍面临许多问题，如吸附平衡时间长和吸附容量低[17]。造成这种情况的主要原因是这些材料的孔径相对较小（主要是微孔和中孔[23]。在吸附过程中，大量的水分子会通过形成氢键而被高度交联的聚合物网络捕获，这不利于海水的质量传递和扩散，从而大大降低了铀酰离子的有效传输[17]，[24]。此外，材料中酰胺肟基团的利用率也大大降低。鉴于此，制备超薄聚合物膜以增加酰胺肟基团的暴露程度被认为是一个潜在的解决方案[23]，[25]。然而，薄膜通常具有较差的机械性能和吸附性能的快速退化（可重复使用性差）[26]，[27]。
为了改善从海水中提取铀时铀酰离子的质量传递和酰胺肟基团的可用性，提出了一种制备具有大孔结构的PAO水凝胶的替代策略[4]，[21]，[28]，[29]，[30]，[31]，[32]。最近，除了传统的冷冻铸造[21]，[30]，[31]和协同研磨[32]方法外，还开发了生物发泡[17]和蜡铸造[18]等新方法来制备大孔PAO水凝胶。具体来说，在我们之前的工作中[18]，通过将PAO碱水溶液与蜡共熔，制备出了蜡铸造大孔PAO（WMPAO）水凝胶。冷却至室温并去除共熔混合物中的水和蜡后，所得的WMPAO水凝胶颗粒具有0.1–100 μm的宽孔径分布和1.47 mL g⁻¹的高总渗透体积。最终，验证了WMPAO水凝胶颗粒对铀酰离子具有满意的吸附亲和力和选择性。此外，WMPAO水凝胶颗粒的整个制备过程简单、操作方便、成本低廉且易于扩展。显然，开发一种简单有效的铸造方法来制备具有丰富大孔的PAO水凝胶是非常理想的。皂化是一种利用廉价脂肪酸和碱制备肥皂的简单反应，已被证明是一种生成具有高度可控大孔结构的陶瓷的强大孔形成方法[33]。因此，这种基于皂化的简单、低成本且易于扩展的铸造方法也具有制备大孔PAO水凝胶的巨大潜力。
在这项研究中，开发了一种新型的皂化-铸造方法来制备大孔PAO水凝胶颗粒。具体来说，首先在40°C下将月桂酸（LA）引入PAO碱水溶液中以启动原位皂化反应，然后加入戊二醛（GA）以交联PAO链。将混合物冷却至室温以诱导固化后，自然干燥并研磨，然后通过索氏提取法去除原位形成的皂（月桂酸钠）相，最终获得了皂化-铸造大孔PAO（SMPAO）水凝胶颗粒。这些SMPAO水凝胶颗粒具有独特的丝瓜状大孔结构，大大加速了铀酰离子的质量传递并提高了酰胺肟基团的可用性。同时，GA的交联进一步增强了SMPAO水凝胶颗粒的结构稳定性。为了提高它们在实际海水铀提取中的适用性，将SMPAO颗粒嵌入聚氨酯（PU）基质中，制备出了超薄PU@SMPAO复合膜。得益于SMPAO颗粒的丝瓜状大孔结构和超薄膜厚度（约100 μm），PU@SMPAO膜在标准溶液和实际海水中均表现出优异的性能，包括快速的吸附动力学以及对铀酰离子的高亲和力和选择性。此外，这些膜还表现出良好的机械强度，并在多次再生循环中保持了良好的可重复使用性。总体而言，PU@SMPAO膜的制备过程简单、可扩展且成本低廉，展示了一种可行的策略，用于制备具有理想大孔结构的高性能PAO基铀吸附剂。
