固有微孔聚合物因其高比表面積與豐富的吸附位點(diǎn)在吸附領(lǐng)域具有廣闊前景，然而微孔內(nèi)較高的傳質(zhì)阻力常導(dǎo)致離子擴(kuò)散受阻，表現(xiàn)出的吸附性能不足。自然界中存在大量分形結(jié)構(gòu)，如動(dòng)物血管、植物導(dǎo)管等。這些分形結(jié)構(gòu)可以以最小的能量消耗在最大程度上實(shí)現(xiàn)物質(zhì)交換與傳遞。受此啟發(fā)，將分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)引入吸附劑內(nèi)部，可以有效解決離子在三維無序的微孔內(nèi)擴(kuò)散受阻的問題。

中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員聞利平課題組開發(fā)出基于固有微孔聚合物的仿生分級(jí)多孔吸附膜。其中逐級(jí)遞減的孔徑結(jié)構(gòu)允許鈾酰離子在膜內(nèi)快速擴(kuò)散，進(jìn)而充分利用微孔內(nèi)豐富的吸附位點(diǎn)。測試表明該分級(jí)多孔膜可以將吸附容量提升至原來的20倍。此外，該膜也在天然海水中進(jìn)行了為期四周的吸附測試，結(jié)果顯示其吸附容量達(dá)到9.03mg/g。該工作提出的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案可以同時(shí)推廣到一大類微孔聚合物吸附劑設(shè)計(jì)中，以實(shí)現(xiàn)核能原料的可持續(xù)提供。

聞利平及其團(tuán)隊(duì)成員長期致力于仿生微納孔材料的制備及應(yīng)用探索，通過研究和設(shè)計(jì)各種仿生微納孔材料，揭示孔道內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸?shù)囊?guī)律，從而調(diào)控微孔材料內(nèi)部物質(zhì)傳輸性能，使其適用于海洋滲透能轉(zhuǎn)化、離子篩分與富集等相關(guān)領(lǐng)域。

相關(guān)研究成果以Bioinspired Hierarchical Porous Membrane for Efficient Uranium Extraction from Seawater為題，發(fā)表在Nature Sustainability上。研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國家自然科學(xué)基金的支持。

海水提鈾仿生分級(jí)多孔膜設(shè)計(jì)示意圖