في 2 سبتمبر، أعلن فريق بحثي من معهد تشينغداو للطاقة الحيوية وعمليات التكنولوجيا الحيوية التابع للأكاديمية الصينية للعلوم (يشار إليه فيما يلي باسم "معهد تشينغداو للطاقة") عن سلسلة من الإنجازات الحديثة في مجال مواد استخلاص اليورانيوم من مياه البحر. ولأول مرة، أدخل الفريق التصميم الطوبولوجي للجزيئات المنفصلة في نظام الأقفاص العضوية المسامية، وتمكن من تصنيع مادة فوسفوسيج (PhosCage) الوظيفية بالفوسفات؛ كما قام بدمجها مع ألياف الأراميد النانوية لإنتاج كريات هلامية هوائية مركبة AC-POC تتميز بانتقائية عالية وسعة امتصاص كبيرة ومقاومة للتلوث البيولوجي. وقد نُشرت النتائج ذات الصلة في الدوريتين العلميتين الدوليتين "Journal of Hazardous Materials" و"Separation and Purification Technology".
في أعماق المحيطات يكمن "مخزون ضخم من اليورانيوم"، لكن كيفية استخلاصه اقتصاديًا وكفؤًا من مياه البحر تمثل تحديًا عالميًا. يتواجد اليورانيوم في مياه البحر بشكل رئيسي في صورة أيونات اليورانيل، بتركيز منخفض للغاية، وتحيط به كميات كبيرة من الأيونات المعدنية الأخرى والكائنات الدقيقة. وغالبًا ما "تخطئ مواد الامتصاص التقليدية الهدف"، أو تتعرض للتداخل بسبب التصاق الكائنات الدقيقة. لذلك، يعد تطوير مواد امتصاص عالية الانتقائية وذات سعة كبيرة ومقاومة للتلوث البيولوجي أمرًا أساسيًا لنقل تقنية استخلاص اليورانيوم من مياه البحر إلى حيز التطبيق العملي.
في هذه الدراسة، اقترح فريق معهد تشينغداو للطاقة استراتيجية تصميم طوبولوجي للجزيئات المنفصلة، حيث تم بناء تجمعات امتصاص الفوسفات بشكل موجه داخل الفراغات النانوية بين الطبقات للأقفاص العضوية المسامية، مما أسفر عن تصنيع أول مادة قفص عضوي مسامي وظيفي بالفوسفات — فوسفوسيج (PhosCage). في الظروف المخبرية، تصل مادة فوسفوسيج إلى توازن الامتصاص خلال 5 دقائق فقط؛ وفي عينات مياه بحر حقيقية من عدة مناطق بحرية، بلغت أقصى سعة لاستخلاص اليورانيوم 50.4 ملغ/غ، أي ما يعادل 8.4 أضعاف المعيار المرجعي ذي الصلة لوزارة الطاقة الأمريكية.
ولكي تكون هذه المادة قابلة للاستخدام الفعلي في الهندسة البحرية، كان لا بد من معالجة مشكلات صعوبة نشر المواد المسحوقية والتصاق الكائنات الدقيقة. ولهذا الغرض، قام الفريق بدمج مادة فوسفوسيج مع ألياف الأراميد النانوية، ومن خلال آلية تآزرية تجمع بين التشابك الفيزيائي والترابط الكيميائي، تم إنتاج كريات هلامية هوائية مركبة ذات شبكة مزدوجة AC-POC على نطاق واسع. تتميز هذه الكريات بمسامات مترابطة داخليًا، كما أن مجموعات الفوسفات والكربوكسيل المتشابكة داخلها تشكل بيئة تنسيق مانحة للإلكترونات عالية الفعالية، مما يخفض حاجز طاقة التنسيق لأيونات اليورانيل — أي عتبة الطاقة التي يجب تجاوزها قبل حدوث التفاعل الكيميائي. وهذا يجعل تفاعل الالتقاط أكثر سهولة في الحدوث، مما يعزز كفاءة التقاط أيونات اليورانيل.
أظهرت الدراسات أنه في أنظمة تنافسية متعددة الأيونات، تتميز مادة AC-POC بانتقائية عالية؛ وبعد التشغيل المستمر لمدة 15 يومًا في مياه البحر الطبيعية، بلغت سعة الاستخلاص الديناميكية لليورانيوم 22.55 ملغ/غ، أي ما يعادل 3.8 أضعاف المعيار المرجعي لوزارة الطاقة الأمريكية. وفي الوقت نفسه، تعمل الشحنة السالبة على سطح الكريات على تثبيط التصاق الكائنات الدقيقة وتكوين الأغشية الحيوية، مما يسهم في تعزيز استقرار المادة أثناء الخدمة في البيئات البحرية الحقيقية.
تسد هذه الدراسة الفجوة في استخدام مواد الأقفاص العضوية المسامية في مجال استخلاص اليورانيوم من مياه البحر، كما تضع أساسًا نظريًا وهندسيًا لتصميم مواد امتصاص مستدامة لاستخلاص اليورانيوم من مياه البحر تجمع بين المقاومة العالية للتلوث والانتقائية العالية والسعة الكبيرة.