El 2 de septiembre, el equipo del Instituto de Bioenergía y Procesos Biotecnológicos de Qingdao de la Academia China de Ciencias (en adelante, "Instituto de Energía de Qingdao") logró recientemente una serie de avances en el campo de los materiales para la extracción de uranio del agua de mar. Por primera vez, el equipo introdujo el diseño topológico de moléculas discretas en el sistema de jaulas orgánicas porosas, sintetizando el material funcionalizado con fosfato PhosCage; además, lo combinó con nanofibras de aramida para preparar microesferas de aerogel compuesto AC-POC con alta selectividad, alta capacidad y resistencia a la bioincrustación. Los resultados relacionados se publicaron en las revistas académicas internacionales Journal of Hazardous Materials y Separation and Purification Technology.
En las profundidades del océano se esconde un enorme "depósito de uranio", pero cómo extraerlo de manera económica y eficiente sigue siendo un desafío mundial. El uranio en el agua de mar existe principalmente en forma de iones de uranilo, con una concentración extremadamente baja, acompañado de una gran cantidad de otros iones metálicos y microorganismos. Los materiales adsorbentes tradicionales a menudo "capturan por error" objetivos equivocados o se ven interferidos por la adhesión microbiana. Por lo tanto, desarrollar materiales adsorbentes con alta selectividad, alta capacidad y resistencia a la bioincrustación es clave para que la extracción de uranio del agua de mar sea práctica.
En esta ocasión, el equipo del Instituto de Energía de Qingdao propuso una estrategia de diseño topológico de moléculas discretas, orientando la construcción de grupos de adsorción de fosfato en el espacio nanométrico entre capas de las jaulas orgánicas porosas, y preparó el primer material de jaula orgánica porosa funcionalizado con fosfato: PhosCage. En condiciones de laboratorio, PhosCage alcanza el equilibrio de adsorción en solo 5 minutos; en muestras reales de agua de mar de múltiples zonas marítimas, su capacidad máxima de extracción de uranio alcanza 50,4 mg/g, 8,4 veces el estándar de referencia del Departamento de Energía de los Estados Unidos.
Para que este material pueda utilizarse realmente en ingeniería oceánica, también es necesario resolver problemas como la dificultad de desplegar materiales en polvo y la adhesión microbiana. Con este fin, el equipo combinó PhosCage con nanofibras de aramida, y mediante la sinergia de entrelazamiento físico y reticulación química, preparó a escala microesferas de aerogel compuesto de doble red AC-POC. El interior de estas microesferas presenta canales de poros interconectados, y sus grupos fosfato y carboxilo entrelazados internamente construyen un entorno de coordinación donante de electrones sinérgico y eficaz, que reduce eficazmente la barrera energética de coordinación de los iones de uranilo, es decir, el umbral de energía que debe superarse antes de que ocurra la reacción química. Esto facilita la reacción de captura y, por lo tanto, mejora la eficiencia de captura de los iones de uranilo.
Los estudios muestran que, en sistemas de competencia multiiónica, AC-POC presenta alta selectividad; después de 15 días de operación continua en agua de mar natural, su capacidad dinámica de extracción de uranio es de 22,55 mg/g, alcanzando 3,8 veces el estándar de referencia del Departamento de Energía de los Estados Unidos. Al mismo tiempo, la carga negativa en la superficie de las microesferas puede inhibir la adhesión microbiana y la formación de biopelículas, lo que contribuye a mejorar la estabilidad de servicio del material en entornos marinos reales.
Esta investigación llena el vacío de los materiales de jaulas orgánicas porosas en el campo de la extracción de uranio del agua de mar y también sienta las bases teóricas y de ingeniería para el diseño de materiales adsorbentes sostenibles para la extracción de uranio del agua de mar con alta resistencia a la bioincrustación, alta selectividad y alta capacidad.