核素铀是发展核能的关键资源,海水中铀的储备量总计约有45亿吨,是陆地上已探明的铀矿石储量的大约1000倍。随着陆地铀矿石储量的日益匮乏,从天然海水中选择性富集铀是解决铀资源短缺最切实可行、最有前景的方法之一。目前,从海水中富集铀的方法有很多种,主要包括吸附法、化学沉淀法、溶剂萃取分离法、生物处理法等。其中吸附法是最可靠、最常用的方法。但是,从天然海水中富集铀非常困难。天然海水中铀浓度极低（约3.3 ppb）,存在大量高浓度竞争离子和严重的生物淤积。要实现从天然海水中高效富集核素铀,需要具有高稳定性的吸附材料,在高离子强度、严重的生物淤积等条件下能保持优异的吸附性能,还可以循环利用。目前报道的吸附剂往往受限于它们的稳定性、选择性、吸附容量、吸附效率或可重复使用性,无法实现大规模实际应用。此外,核素铀具有高生物毒性、强放射性和高迁移能力,其意外泄漏会引起严重的健康和环境问题。高效富集铀需要先进的吸附材料,该材料不仅要具有高稳定性、高亲和力和选择性,而且要有快速的动力学和大的吸附容量。共价有机框架（COFs）是一种新型的多孔晶体材料,具有比表面积大、孔隙结构规则、稳定性高、拓扑结构丰富以及功能基团可调等特点。基于COFs材料的结构和功能特点,本论文巧妙设计了具有对铀特异性亲和力的功能单元,合成了具有多种结构新颖的COFs材料,实现了复杂环境介质中核素铀的快速灵敏检测和高效富集,有望用于战略资源的富集回收和核污染环境问题治理,主要研究内容如下:1.核素铀意外泄漏将引起严重的健康和环境问题。为了实现对高毒性核素铀的实时监测和高效去除,我们首次合成了偕胺肟功能化的sp2碳共轭荧光TFPT-BTAN-AO COF。TFPT-BTAN-AO具有优异的化学、热和辐射稳定性。开放式一维纳米通道结构以及孔壁分布大量的选择性功能基团,使TFPT-BTAN-AO对铀酰离子(UO22+)具有超快的响应时间（2 s）和超低检出限（6.7 n M）;同时,TFPT-BTAN-AO对UO22+的吸附容量高达427 mg g-1,表明偕胺肟功能化的sp2碳共轭荧光COFs材料不仅可用于UO22+的实时现场监控,还可用于UO22+的高效富集。这项工作证明了荧光COFs材料在放射性核素检测和提取应用中的巨大潜力。2.从天然海水中提取核素铀是解决铀资源短缺最有前景的方法之一。本文首次合成了具有优异光催化和光电活性的偕胺肟功能化sp2碳共轭COF（NDA-TN-AO）。优异的光催化活性激发NDA-TN-AO产生具有生物毒性的活性氧,可以有效抗生物污垢,并促进光电子将U（VI）还原为不溶的U（IV）,从而提高铀的吸附容量。NDA-TN-AO对海水中铀的吸附容量高达6.07 mg g-1,是黑暗中的1.33倍,表明具有优异光催化和光电活性的sp2碳共轭COFs材料可用于从天然海水中高效富集核素铀。3.COFs材料的固有特征使其在铀富集应用中极具吸引力。提高从天然海水中富集铀的选择性、吸附容量和吸附效率是COFs材料有待解决的关键问题。本文首次开发了一系列稳定且亲水的苯并恶唑连接的COFs材料（Tp-DBD、Bd-DBD和Hb-DBD）,作为光照增强铀富集的有效吸附剂。苯并恶唑环的形成以及羟基的引入,使Tp-DBD具有优异的化学稳定性、选择性、亲水性和还原性能。同时,π-共轭骨架上的羟基和苯并恶唑环的协同作用显著降低了光学带隙,使Tp-DBD具有优异的光热效应、光电效应和光催化活性,进而提高了对铀的亲和力和富集容量。Tp-DBD对天然海水中铀的吸附容量高达10.31 mg g-1,并具有优异的选择性,表明具有优异的化学稳定性、选择性、亲水性和还原性能的COFs材料适用于从天然海水中选择性富集核素铀。4.具有高容量、高选择性、高稳定性、快速吸附的亲水性铀富集材料的设计和合成仍然是一个挑战。本文首次合成未取代烯烃连接的COF材料（DHBD-TMT）用于核素铀的选择性负载、化学还原和光催化还原。DHBD-TMT独特的结构特征,非常适合用作选择性配体络合、高效化学还原和光催化还原铀的捕获平台,从而具有突破性的铀捕获容量(2640.8 mg g-1)。无光照时,DHBD-TMT可以通过骨架上的大量羟基选择性吸附铀,并将U（VI）原位还原为U（IV）,从而显著提高了铀的吸附容量和吸附效率。同时,对苯二酚和三嗪单元在扩展的π-共轭骨架中的协同作用显著提高了DHBD-TMT的光催化活性,在可见光照射下还可以进一步发生U（VI）的光催化还原,从而显著提高了吸附容量和吸附效率。