基于多巴胺化学与表面引发活性自由基聚合制备新型双壳层磁性纳米粒子及对铀的吸附行为研究

Efficient enrichment and separation of uranium is of great importance for the energy strategy and environmental remediation in China. Magnetically assisted separation technique has shown great potential for enrichment and separation of uranium. However, magnetic composites, as the dominant materials, are still facing the challenge to increase the number of the functional groups, and to improve the structural stability. In this study, activators regenerated by electron transfer for atom transfer radical polymerization (ARGET-ATRP) integrated with bio-inspired polydopamine (PDA) chemistry will be employed, for the first time, to prepare new dual-shelled magnetic nanocomposites containing PDA protective shell and amidoxime polymer functional shell, respectively. The adsorption behavior toward uranyl ions will be investigated. Efforts will be directed to developing and optimizing the methods of using PDA chemistry for the surface modification of magnetic nanoparticles, and preparing core-shell structured magnetic nanocomposites via surface initiated ARGET-ATRP. Influences of molecular weight and distribution, segment conformation, as well as conversion rate of amidoxime on the complexation to uranyl ions will be discussed. The kinetic controlling factors and adsorption mechanism will be determined. This study is expected to develop a new kind of method for the preparation and surface functionalization of core-shell structured nanoparticles, and to provide scientific insights about the self-polymerization mechanism of dopamine molecules and their assembly structure, as well as the relationship between the structure of the amidoxime polymer and the complexation ability to uranyl ions.

铀的高效富集和分离对我国能源战略和环境保护均具有重要意义。磁辅助分离技术在铀的富集分离方面极具潜力，但扮演核心角色的磁性复合材料目前仍面临需提高功能基团数目、改善结构稳定性的挑战。为此，本项目拟首次将受生物启发的多巴胺化学与基于电子转移再生活性种的原子转移自由基聚合（ARGET-ATRP）结合，构建新型的具有“聚多巴胺”保护层和偕胺肟聚合物功能层的双壳层磁性纳米复合材料，并研究其对铀酰离子的吸附行为。研究将建立并优化基于多巴胺化学表面改性磁性纳米粒子、及表面引发ARGET-ATRP制备核-壳结构磁性纳米复合材料的方法，探讨聚合物分子量及分布、链段构象、偕胺肟转化率等因素对络合铀酰离子行为的影响规律，确定吸附过程的动力学控制因素，阐明吸附机理。本项目预期将为核-壳结构纳米粒子制备及表面功能化提供新方法，为研究多巴胺聚合机理和聚集体结构、以及揭示偕胺肟聚合物络合铀酰离子的构效关系提供科学依据。

铀的高效富集和分离对我国能源战略和环境保护均具有重要意义。磁辅助分离技术在铀的富集分离方面极具潜力，但扮演核心角色的磁性复合材料目前仍面临需提高功能基团数目、改善结构稳定性的挑战。为此本项目首次将受生物启发的多巴胺化学与表面引发活性自由基聚合方法结合，构建出新型的具有“聚多巴胺”保护层和偕胺肟聚合物功能层的双壳层磁性纳米复合材料，并研究了其对铀酰离子的吸附行为。. 项目的主要研究内容和成果可归纳为下述几个方面：1）研究了多巴胺自聚合反应及在磁性纳米粒子表面的沉积包覆过程，合成出以多巴胺聚集体为保护层的核-壳结构磁性纳米粒子，并实现引发剂的接枝；2）基于表面引发活性自由基聚合方法在多巴胺包覆的磁性纳米粒子表面构建偕胺肟聚合物功能壳层，实现双壳层磁性纳米复合材料的制备；3）系统表征双壳层结构磁性纳米复合材料及其合成过程中间体的化学组成、结构、微观形貌、官能化度、磁性能、热稳定性等性质；4）研究了磁性纳米复合材料对溶液中铀酰离子的吸附行为，考察了平衡时间、HNO3 浓度、初始离子浓度等因素对吸附能力的影响，基于动力学模型拟合实验数据研究材料的吸附动力学，拟合吸附等温线，确定吸附过程的控制因素和机理，并结合材料的结构差异，探讨功能基团位置分布和空间效应对吸附行为的影响。. 本项目研究成果已有16篇论文发表在国际SCI收录期刊上，申请国家发明专利8项。本项目为推进后续铀等放射性核素分离材料的研究奠定了良好的基础。