光子晶体-离子印迹共价有机骨架材料在放射性核素等重金属富集分离和检测中的应用研究

With the development of nuclear power, the heavy metal and radioactive pollution caused by uranium mining is very serious. Therefore, it is very important for uranium enrichment, recovery, clearance and fast in-situ detection. This project intends to construct a series of new materials, PCIICOFs, by combining the photonic crystal technology, ion imprinting technology and covalent organic frameworks (COFs) material. These PCIICOFs are three-dimensional–ordered macro-microporous materials (that is, materials containing both macro- and micropores), and have high selectivity and large absorption capacity. More importantly, PCIICOFs have the property of photonic crystal, and can be used as the visualization sensor by transferring the molecular recognition process into the readable change of color or optical signal. In this study, PCIICOFs will be applied for the enrichment and removal of target ions; at the same time, they can be used as visualization sensor by coupling fiber technology. Thus a sensitive and effective method will be provided to meet the needs of extraction and rapid analysis of low content of heavy metals. This study is expected to overcome the bottleneck problems of most of the existing traditional materials, such as poor selectivity, lower adsorption capacity, and difficulty to recycle. More importantly, it is useful for tracing in situ, or remote monitoring of pollution source in a dynamic environment, solving the problem of detection of toxic heavy metals in the flowing water. It is of the significance for in situ monitoring and early warning of environmental pollution in uranium.

随着核能发展，铀等重金属污染非常严重，因此对尾矿及环境水体中铀等重金属的富集回收、清除和快速原位检测至关重要。传统吸附材料选择性低，而且依赖于实验室检测，不利于铀资源回收和放射性污染预警。本项目拟结合光子晶体技术、离子印迹技术和共价有机框架（COFs）材料，在高度有序的光子晶体反噬空腔内制备出具有高选择性、快速吸附和信号自表达能力的光子晶体-离子印迹共价有机框架(PCIICOFs)材料。一方面用于提高环境中铀等重金属的资源回收和富集效率；并构建可视化（裸眼检测）传感器，集成富集和检测功能于一体，满足低含量重金属提取或快速分析的需要。本研究预计可克服现有大多数铀吸附材料选择性低、吸附容量小、难以回收利用的瓶颈问题；解决传统COFs材料的光学响应问题，将分子识别过程直接转换成可读的光学信号，赋予颜色表现，实现铀等重金属的快速可视化检测，对环境中铀的原位监测、污染预警以及铀资源回收具有重要意义。

随着核能发展，铀等放射性污染日趋严重，因此对尾矿及环境水体中核素的富集回收、清除和快速原位检测至关重要。传统吸附材料选择性低，而且依赖于实验室检测，不利于铀等核素资源的回收和放射性污染预警。本项目按照申报书中的研究目标，结合光子晶体技术、离子印迹技术，水凝胶技术，以及有机框架材料的制备技术，开发出多种具有原位监测能力以及高吸附容量的复合材料，构建出了“二合一”双功能吸附/检测系统，实现了对锝/铼或UO22+的超高灵敏原位传感检测，可应用于水中超痕量铀的现场定性和定量分析和水环境中铀的高效去除或富集回收。主要成果如下：（1）本研究开发的Tb-MOF/Tb-AG复合材料对于铀的检测限低至1.2 ppt，比饮用水中的铀污染标准低4个数量级，灵敏度甚至与ICP-MS的灵敏度相当。此外，该材料具有非常宽的定量范围（1.0×10-9~5.0×10-4 mol/L）、较高的吸附容量（549.0 mg/g）和出色的抗干扰能力；（2）本研究开发的聚集诱导荧光（AIE）材料，具有较好生物相容性和较高的可视化检测灵敏度，能够用于尾矿等复杂水体以及细胞中放射性铀的原位检测和细胞成像；（3）本研究构建出了具有衍射（变色）+荧光“双通道” 检测功能的薄膜传感器，可用于UO22+的快速可视化检测；（4）本研究构建出了表面印迹COF材料，并结合光子晶体技术可用于可视化监测和分离提取水体中高锝/铼酸根离子；（5）构建出了环糊精及聚氨肟改性光子晶体水凝胶，用于UO22+的可视化检测与回收。本研究克服了现有大多数铀吸附材料选择性低、吸附容量小、难以回收利用的瓶颈问题；实现了铀等重金属的快速可视化检测，对环境中核素的原位监测、污染预警以及核资源回收具有重要意义。授权2项专利，受理3项专利；在国际、国内期刊上发表论文21篇，培养青年科技骨干教师2名、研究生8名。