隨著全球能源需求的不斷增加和環(huán)境挑戰(zhàn)的加劇，核能因其高效率和低碳足跡而成為傳統(tǒng)化石燃料的重要替代品[1]、[2]、[3]、[4]。作為核燃料的關(guān)鍵元素，鈾的有效提取和安全處理技術(shù)對于核能的可持續(xù)發(fā)展和減少放射性污染至關(guān)重要。已經(jīng)開發(fā)了多種處理含鈾廢水的技術(shù)，包括化學(xué)沉淀[5]、吸附[6]、離子交換[8]、膜分離和光催化[10]。其中，光催化因其環(huán)保性、低能耗和高反應(yīng)性而備受關(guān)注[11]。該技術(shù)利用光生載流子（電子和空穴）的氧化還原反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)可溶性鈾物種的選擇性還原和固定[12]。廣泛研究的光催化材料主要包括金屬氧化物（如TiO?、ZnO）[13]、[14]、硫化物（如CdS、MoS?）[15]、[16]、聚合物碳氮化物（如g-C?N?）[17]以及聚合物材料（如共價有機(jī)框架（COFs）、供體-受體（D-A）聚合物[18]、[19]、[20]、[21]。然而，這些材料存在固有的局限性，阻礙了實(shí)際應(yīng)用：金屬氧化物雖然穩(wěn)定性良好，但帶隙較寬，主要吸收紫外線（約占太陽光譜的4%），導(dǎo)致量子效率較低[22]；硫化物在可見光下有較好的響應(yīng)，但容易發(fā)生光腐蝕和不穩(wěn)定[23]；聚合物碳氮化物雖然成本低廉，但導(dǎo)電性差且載流子復(fù)合速率高[24]。

相比之下，供體-受體（D-A）聚合物光催化劑由于可以通過分子設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)帶結(jié)構(gòu)、具有相對較高的載流子遷移率和結(jié)構(gòu)靈活性而展現(xiàn)出巨大潛力[25]。然而，仍存在關(guān)鍵挑戰(zhàn)：盡管π-π堆疊有助于分子間電荷傳輸，但其固有的導(dǎo)電性通常較低，限制了激子的擴(kuò)散長度，導(dǎo)致快速的非輻射復(fù)合[19]。精確控制表面電荷分布仍然困難，嚴(yán)重限制了光生載流子的空間分離效率[26]。

為了克服D-A聚合物在光催化鈾去除中的這些核心限制——特別是導(dǎo)電性差和表面電荷控制不足的問題，本研究提出了一種創(chuàng)新策略：將以其優(yōu)異固有光電導(dǎo)性著稱的酞菁（Pc）單元整合到D-A聚合物框架中。這種整合旨在協(xié)同增強(qiáng)光吸收、提高載流子遷移效率并優(yōu)化表面反應(yīng)性。酞菁是一種18-π電子共軛的大環(huán)結(jié)構(gòu)，與葉綠素在結(jié)構(gòu)上類似[27]、[28]、[29]、[30]。它們獨(dú)特的擴(kuò)展π共軛系統(tǒng)使得光照時產(chǎn)生的電荷高度離域，賦予其出色的光電導(dǎo)性能（高載流子遷移率）。值得注意的是，基于酞菁的材料的光電導(dǎo)性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)光催化材料。Khan等人的研究表明，由鈷酞菁（CoPc）和摻硼的缺氮g-C?N?（BNDCN）構(gòu)建的Z型異質(zhì)結(jié)，其電荷分離效率和傳輸率比純g-C?N?高出10-26倍，光生載流子的平均壽命延長至21.7納秒，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)D-A聚合物[31]。這一優(yōu)勢源于酞菁分子的獨(dú)特共軛結(jié)構(gòu)及其與金屬中心的協(xié)同效應(yīng)，為提高D-A聚合物系統(tǒng)的催化性能提供了關(guān)鍵保障。此外，Zhao等人觀察到Pc/NiOx復(fù)合體在光照下的導(dǎo)電性提高了300%，這歸因于載流子密度的顯著增加[32]。Ding等人將鎳酞菁（NiPc）引入二維共價有機(jī)框架（COF）中；得益于Pc單元的有序堆疊，NiPc-COF表現(xiàn)出優(yōu)異的光電導(dǎo)性，產(chǎn)生的可見光電流（>400納米）是其暗電流的150倍[33]。此外，精確選擇酞菁中的中心金屬離子可以為調(diào)節(jié)材料表面電荷分布提供有力手段。Yu等人證明，優(yōu)化金屬酞菁（MPcs）中的中心金屬離子（如Ni）和外圍取代基可以增強(qiáng)分子偶極矩并調(diào)節(jié)電荷分布；使用NiPc作為空穴傳輸層（HTM）可將鈣鈦礦太陽能電池（PSC）的效率提高到21.23%，部分歸因于中心金屬離子在調(diào)節(jié)界面電荷中的作用[34]。因此，酞菁通過優(yōu)異的光電導(dǎo)性增強(qiáng)電荷遷移和通過金屬中心工程控制表面電荷分布的固有優(yōu)勢，為解決D-A聚合物光催化劑在高效去除鈾方面的根本局限性提供了一種有效的分子設(shè)計(jì)方法。

利用酞菁的這些獨(dú)特性質(zhì)，我們采用溶劑熱法合成了含有金屬酞菁單元的超支化供體-受體聚合物（PcPM）。為了系統(tǒng)研究中心金屬離子對材料性質(zhì)的關(guān)鍵影響，我們選擇了具有不同價d電子構(gòu)型的Cu、Co和Ni過渡金屬（表S1），分別是Co2?（[Ar] 3d?）、Ni2?（[Ar] 3d?）和Cu2?（[Ar] 3d?）。這種設(shè)計(jì)能夠有針對性地優(yōu)化聚合物的帶結(jié)構(gòu)并精確調(diào)節(jié)表面靜電勢分布。合成的金屬酞菁聚合物（PcPCu、PcPCo、PcPNi）的光電導(dǎo)性能及其對U(VI)的去除效果進(jìn)行了系統(tǒng)的表征和評估。這項(xiàng)工作為基于D-A結(jié)構(gòu)中光電導(dǎo)酞菁基團(tuán)的協(xié)同整合設(shè)計(jì)高性能光催化材料提供了重要的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐指導(dǎo)，以實(shí)現(xiàn)高效的鈾提取和環(huán)境修復(fù)。