Em 2 de setembro, a equipe do Instituto de Bioenergia e Processos Biotecnológicos de Qingdao da Academia Chinesa de Ciências (doravante denominado "Instituto de Energia de Qingdao") alcançou recentemente uma série de progressos no campo de materiais para extração de urânio da água do mar. Pela primeira vez, a equipe introduziu o design topológico de moléculas discretas em sistemas de gaiolas orgânicas porosas, sintetizando o material funcionalizado com fosfato, PhosCage; e, posteriormente, combinou-o com nanofibras de aramida para preparar microesferas de aerogel composto AC-POC, que possuem alta seletividade, alta capacidade e resistência à bioincrustação. Os resultados relacionados foram publicados nos periódicos acadêmicos internacionais Journal of Hazardous Materials e Separation and Purification Technology.
Nas profundezas do oceano, existe um enorme "depósito de urânio", mas como "extrair urânio" dele de forma econômica e eficiente é um desafio mundial. O urânio na água do mar existe principalmente na forma de íons uranila, com concentração extremamente baixa, acompanhado por muitos outros íons metálicos e micro-organismos. Materiais adsorventes tradicionais frequentemente "capturam o alvo errado" ou são interferidos pela fixação de micro-organismos. Portanto, desenvolver materiais adsorventes com alta seletividade, alta capacidade e resistência à bioincrustação é a chave para tornar a extração de urânio da água do mar uma realidade prática.
Desta vez, a equipe do Instituto de Energia de Qingdao propôs uma estratégia de design topológico de moléculas discretas, direcionando a construção de aglomerados adsorventes de fosfato no espaço nanométrico entre camadas de gaiolas orgânicas porosas, preparando o primeiro material de gaiola orgânica porosa funcionalizado com fosfato — PhosCage. Em condições de laboratório, o PhosCage atinge o equilíbrio de adsorção em apenas 5 minutos; em amostras reais de água do mar de múltiplas regiões, sua capacidade máxima de extração de urânio atinge 50,4 mg/g, o que é 8,4 vezes o padrão de referência relevante do Departamento de Energia dos EUA.
Para que este material seja verdadeiramente utilizado em engenharia oceânica, também é necessário resolver problemas como a dificuldade de implantação de materiais em pó e a fixação de micro-organismos. Para isso, a equipe combinou o PhosCage com nanofibras de aramida, preparando em escala microesferas de aerogel composto de dupla rede, AC-POC, por meio da sinergia entre o entrelaçamento físico e a reticulação química. O interior dessas microesferas possui canais de poros interconectados, e os grupos fosfato e carboxila entrelaçados em seu interior constroem um ambiente de coordenação doador de elétrons sinérgico e eficaz, reduzindo efetivamente a barreira energética de coordenação dos íons uranila, ou seja, o limiar de energia que precisa ser superado antes que a reação química ocorra. Isso torna a reação de captura mais fácil de ocorrer, aumentando assim a eficiência de captura dos íons uranila.
A pesquisa mostra que, em um sistema de competição multi-iônica, o AC-POC exibe alta seletividade; após operação contínua em água do mar natural por 15 dias, sua capacidade dinâmica de extração de urânio é de 22,55 mg/g, atingindo 3,8 vezes o padrão de referência relevante do Departamento de Energia dos EUA. Além disso, a carga negativa na superfície das microesferas pode inibir a fixação de micro-organismos e a formação de biofilme, contribuindo para melhorar a estabilidade de serviço do material em ambientes marinhos reais.
Esta pesquisa preenche a lacuna dos materiais de gaiola orgânica porosa no campo da extração de urânio da água do mar e também estabelece uma base teórica e de engenharia para o design de materiais adsorventes sustentáveis para extração de urânio da água do mar, com alta resistência à bioincrustação, alta seletividade e alta capacidade.