近日，青海盐湖研究所溶液结构与界面课题组(周永全研究员团队)与深圳大学高永祥教授团队在先进功能材料与核燃料资源回收交叉领域取得重要进展。研究团队通过拓扑结构畸变策略，成功构建了一类具有高水稳定性、荧光特性和自驱动功能的球形金属有机框架（MOF）微马达，在光催化铀提取与活性物质仿生行为研究中展现出独特优势。研究成果以“Highly stable spherical metal-organic framework micromotors engineered via topological distortion for photocatalytic uranium extraction”为题发表于Nano Research(一区TOP)。青海盐湖研究所为第一单位，Ikram Muhammad 助理研究员为第一作者。

铀资源不仅是核能发展的关键战略物资，其在水环境中的迁移和毒性也构成长期环境风险。传统铀吸附材料往往受限于吸附速率慢、选择性不足及需外部搅拌等问题。微纳米马达凭借自主运动与高效传质能力，为水处理提供了新思路，但MOF基马达的水稳定性与复杂集群行为的调控仍是领域内重大挑战。研究团队独辟蹊径，选用具有大金属节点的锌-腺嘌呤框架，以短链对苯二甲酸替代传统长链联苯二甲酸作为有机连接子。这一“拓扑畸变”设计增强了金属-配体键的疏水性与空间位阻，使得所构建的ZABDC微马达在水相中展现出优异的长期稳定性。该微马达呈球形囊泡结构，尺寸约2微米，具有分级多孔结构和高比表面积（1327 m²/g）。

研究表明，ZABDC微马达可在低浓度过氧化氢（0.3 wt%）燃料中实现自主运动，速度约7微米/秒；在可见光照射下，其速度可协同增强至约15微米/秒。通过COMSOL多物理场模拟，团队证实其驱动机制源于催化分解产生的离子梯度诱导的自扩散泳效应。在铀离子（UO₂²⁺）提取应用中，ZABDC微马达展现出卓越性能。得益于自主运动、丰富螯合位点（氮/氧）及光催化活性，该材料在可见光照射下对铀的吸附容量高达406 mg/g，在复杂盐湖卤水基质中的分配系数（Kd）达1.0×10⁴ mL/g。特别值得关注的是，吸附于表面的铀酰离子在光催化下进一步转化为亚稳态的晶质铀矿（studtite）纳米颗粒，实现了从溶解态到固态的有效固定与分离。

研究还发现了一个有趣的仿生现象：在由活性ZABDC微马达与惰性胶体粒子组成的二元体系中，通过改变燃料浓度，可调控出“捕食-逃避”与“集群游动”等类似生物群体的集体行为。这一源于自生离子梯度驱动的扩散泳相互作用，为理解活性物质复杂动力学及发展智能微纳器件提供了新模型。

该研究构建的“一体化”MOF微马达平台，将MOF的结构可设计性、微纳马达的自驱动特性与光催化功能有机结合，不仅在复杂水体中放射性核素的高效提取方面展现出应用潜力，也为探索活性物质非平衡态行为提供了基础研究模型。相关策略可拓展至MOF材料库中其他结构，为开发面向环境与能源领域的新一代智能功能材料开辟了新路径。

图1. ZABDC MOF的合成与形貌，以及在有无外加H₂O₂条件下暗处与光照下的铀提取过程，并附有铀吸附的示意图

本研究得到了国家自然科学基金国际青年科学家项目(22150410328)、青海省杰出青年科学基金(2025-ZJ-967J), 中国科学院青海盐湖研究所科研基金(E355HX01)及昆仑英才高端创新创业人才计划等的资助。感谢KEK-Photon Factory提供的EXAFS实验支持(2025G131)。
论文链接: https://doi.org/10.26599/NR.2026.94908602 

审核：葛飞