Am 2. September gab das Team des Qingdao-Instituts für Bioenergie und Bioprozess-technologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (im Folgenden „Qingdao-Energieinstitut“) bekannt, dass es in jüngster Zeit eine Reihe von Fortschritten bei Materialien zur Uranextraktion aus Meerwasser erzielt hat. Das Team führte erstmals das diskrete molekulare Topologie-Design in poröse organische Käfigsysteme ein und synthetisierte das phosphorfunktionalisierte Material PhosCage; darüber hinaus kombinierten sie es mit Aramid-Nanofasern und stellten ein Verbund-Aerogel-Mikrokügelchen AC-POC her, das hohe Selektivität, hohe Kapazität und Resistenz gegen Biofouling vereint. Die entsprechenden Ergebnisse wurden in den internationalen Fachzeitschriften Journal of Hazardous Materials und Separation and Purification Technology veröffentlicht.
In den Tiefen des Ozeans verbirgt sich ein gewaltiges „Uranlager“, doch dessen wirtschaftliche und effiziente Gewinnung stellt weltweit eine große Herausforderung dar. Uran liegt im Meerwasser hauptsächlich in Form von Uranylionen vor, in extrem geringer Konzentration, begleitet von zahlreichen anderen Metallionen und Mikroorganismen. Herkömmliche Adsorptionsmaterialien „greifen“ oft die falschen Ziele oder werden durch mikrobielle Besiedlung gestört. Daher ist die Entwicklung von Adsorptionsmaterialien mit hoher Selektivität, hoher Kapazität und Biofouling-Resistenz der Schlüssel für den praktischen Einsatz der Uranextraktion aus Meerwasser.
Das Team des Qingdao-Energieinstituts schlug diesmal eine Strategie des diskreten molekularen Topologie-Designs vor, bei der Phosphat-Adsorptionscluster gezielt im nanoskaligen Zwischenschichtraum poröser organischer Käfige aufgebaut werden, und stellte so das erste phosphorfunktionalisierte poröse organische Käfigmaterial her – PhosCage. Unter Laborbedingungen erreicht PhosCage bereits nach 5 Minuten das Adsorptionsgleichgewicht; in realen Meerwasserproben aus mehreren Seegebieten betrug die maximale Uranextraktionskapazität 50,4 mg/g – das 8,4-fache des entsprechenden Referenzwerts des US-Energieministeriums.
Um dieses Material tatsächlich für den Einsatz im Meerestechnik einsetzen zu können, müssen zudem Probleme wie die schwierige Handhabung von Pulvermaterialien und mikrobielle Besiedlung gelöst werden. Daher kombinierte das Team PhosCage mit Aramid-Nanofasern und stellte im großen Maßstab doppelnetzwerkige Verbund-Aerogel-Mikrokügelchen AC-POC her, die durch das Zusammenwirken von physikalischer Verflechtung und chemischer Vernetzung stabilisiert werden. Diese Mikrokügelchen besitzen im Inneren durchgängige Porenkanäle; die darin verwobenen Phosphat- und Carboxylgruppen bilden zudem eine starke synergistische elektronenspendende Koordinationsumgebung, die die Koordinationsenergiebarriere von Uranylionen – also die Energiehürde, die vor einer chemischen Reaktion überwunden werden muss – wirksam senkt. Dadurch wird die Einfangreaktion erleichtert und die Effizienz beim Einfangen von Uranylionen erhöht.
Die Untersuchungen zeigen, dass AC-POC in Mehrionen-Konkurrenzsystemen eine hohe Selektivität aufweist; nach 15 Tagen kontinuierlichem Betrieb in natürlichem Meerwasser betrug die dynamische Uranextraktionskapazität 22,55 mg/g – das 3,8-fache des entsprechenden Referenzwerts des US-Energieministeriums. Darüber hinaus hemmt die negative Oberflächenladung der Mikrokügelchen die Anhaftung von Mikroorganismen und die Bildung von Biofilmen, was zur Verbesserung der Betriebsstabilität des Materials in realen Meeresumgebungen beiträgt.
Diese Forschung schließt eine Lücke bei porösen organischen Käfigmaterialien im Bereich der Uranextraktion aus Meerwasser und legt zugleich eine theoretische und technische Grundlage für das Design nachhaltiger Adsorptionsmaterialien zur Uranextraktion aus Meerwasser mit hoher Fouling-Resistenz, hoher Selektivität und hoher Kapazität.