随着全球能源危机的持续加剧和低碳转型的迫切需求，开发新型清洁能源体系已成为各国科技攻关的战略重点。核能技术凭借其燃料燃烧产物的低碳属性、高温工况下的高效热发电特性被视为替代传统化石能源的理想选择。其中，钍基熔盐反应堆相较于传统铀基核反应堆展现出显著优势。为了应对在钍矿采选、冶炼等前端环节会产生大量含钍放射性废水的问题，研发高效钍（Th(IV)）离子分离富集技术，已成为实现钍资源清洁利用过程中亟待突破的关键技术挑战，对放射性污染治理和战略核燃料回收具有双重价值。

近日，东北师范大学赵锐副教授团队在期刊《Journal of Colloid and Interface Science》上，发表了最新研究成果“Tailoring the coordination microenvironment of electrospun nanofibers for the separation of thorium ions from ore wastewater”。研究者通过超支化接枝策略与水杨醛基团功能化修饰，成功实现了静电纺纳米纤维配位微环境的精准构筑，获得了Sal-PEI-PAN纳米纤维吸附剂，对Th(IV)离子展现出显著的高亲和力与选择性。所制得的具有宏观膜结构的电纺纳米纤维在保持高密度配位活性位点的同时，避免了传统粉末吸附剂存在的固液分离困难、材料流失导致二次污染等瓶颈问题。该研究为废水中钍离子的净化和回收提供了一种潜在的技术路径。

图1. Sal-PEI-PAN纳米纤维的制备示意图。

如图1所示，采用超支化接枝策略对纤维进行改性，将一个接枝单元转化为多个官能团，并进一步接枝水杨醛分子得到具有高密度羟基和席夫碱基团的电纺纳米纤维，以构建大量的潜在吸附位点。通过对比吸附实验证实了超支化接枝以及引入水杨醛基结构可以显著提高纳米纤维材料去除Th(IV)离子的能力。

图2. Sal-PEI-PAN的吸附动力学和等温吸附数据。

图3. Sal-PEI-PAN纳米纤维的其他吸附性能。

吸附动力学显示Sal-PEI-PAN纳米纤维在60 min达到吸附平衡，吸附等温线结果符合Langmuir模型，理论吸附容量为781.3 mg g-1，展现出超过了大多数可成型吸附剂和许多粉末吸附剂的吸附动力学和吸附容量（图2）。此外， Sal-PEI-PAN纳米纤维对共存体系中的Th（IV）离子具有良好的去除选择性。Sal-PEI-PAN纳米纤维还能够实现Th（IV）离子的深度去除（分配系数（Kd）高达3.1 × 105 mL g−1），并且Sal-PEI-PAN展现出高通量的动态过滤性能，可处理自身膜体积996倍的钍废水（图3），更贴近实际应用。

图4. 理论计算与去除机制示意图。

通过一系列实验表征可以证实钍离子的成功捕获并且可以确定吸附位点为席夫碱、羟基以及胺基。基于理论计算可以证实接枝水杨醛分子引入的羟基和席夫碱基团是主要的吸附位点，并且该基团对于钍离子的结合能要大于其他共存离子（稀土离子和铀酰离子）的结合能（图4）。以上实验结果和理论计算分析也验证了Sal-PEI-PAN纳米纤维对于钍离子的高吸附容量和优异选择性是基于构筑的超支化结构以及引入的席夫碱和羟基。相关纳米纤维材料在钍资源回收和环境修复领域具有广阔应用前景。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jcis.2025.137957

人物简介：

赵锐，东北师范大学副教授，博士生导师，学术期刊《Polymers》客座编辑。主要研究方向为纳米纤维的功能改性、可成型多孔骨架材料的设计合成及其在分离领域的应用。近些年在ACS Central Science、Advanced Functional Materials等学术期刊上发表第一（通讯）作者SCI论文30余篇，多篇入选ESI高被引论文，H指数35；参编著作2部；授权专利7项。主持国家自然科学基金项目（面上、青年）、吉林省自然科学基金项目、吉林省教育厅科学技术研究规划项目等项目。入选2023年度“全球前2%顶尖科学家榜单”、获得2023年度吉林省高等学校优秀科研成果。