Le 2 septembre, l'équipe de l'Institut de bioénergie et de technologie des procédés de Qingdao de l'Académie chinoise des sciences (ci-après dénommé « Institut de l'énergie de Qingdao ») a récemment réalisé une série de progrès dans le domaine des matériaux d'extraction d'uranium de l'eau de mer. Pour la première fois, l'équipe a introduit la conception topologique de molécules discrètes dans le système de cages organiques poreuses, synthétisant un matériau fonctionnalisé par des groupes phosphate, le PhosCage ; puis, en le combinant avec des nanofibres d'aramide, elle a préparé des microsphères d'aérogel composite AC-POC, dotées d'une haute sélectivité, d'une grande capacité et d'une résistance à l'encrassement biologique. Ces résultats ont été publiés dans les revues scientifiques internationales Journal of Hazardous Materials et Separation and Purification Technology.
Les profondeurs océaniques renferment un immense « réservoir d'uranium », mais l'extraire de manière économique et efficace reste un défi mondial. Dans l'eau de mer, l'uranium se présente principalement sous forme d'ions uranyle, à une concentration extrêmement faible, en présence de nombreux autres ions métalliques et micro-organismes. Les matériaux adsorbants traditionnels « ciblent » souvent la mauvaise espèce ou sont perturbés par l'adhésion de micro-organismes. Par conséquent, le développement de matériaux adsorbants à haute sélectivité, à grande capacité et résistants à l'encrassement est essentiel pour rendre l'extraction d'uranium de l'eau de mer économiquement viable.
Dans cette étude, l'équipe de l'Institut de l'énergie de Qingdao a proposé une stratégie de conception topologique de molécules discrètes, construisant de manière orientée des clusters d'adsorption de phosphate dans l'espace nanométrique intercouche des cages organiques poreuses, et a préparé le premier matériau de cage organique poreuse fonctionnalisé par des phosphates — le PhosCage. Dans des conditions de laboratoire, le PhosCage atteint l'équilibre d'adsorption en seulement 5 minutes ; dans des échantillons d'eau de mer réels provenant de plusieurs zones maritimes, sa capacité maximale d'extraction d'uranium atteint 50,4 mg/g, soit 8,4 fois la référence correspondante du Département de l'Énergie des États-Unis.
Pour que ce matériau soit réellement utilisé dans l'ingénierie marine, il faut également résoudre les problèmes de déploiement difficile des matériaux en poudre et d'adhésion des micro-organismes. Pour ce faire, l'équipe a combiné le PhosCage avec des nanofibres d'aramide, en synergie entre l'enchevêtrement physique et la réticulation chimique, pour produire à grande échelle des microsphères d'aérogel composite à double réseau AC-POC. Ces microsphères présentent des canaux poreux interconnectés à l'intérieur, et leurs groupes phosphate et carboxyle entrelacés créent un environnement de coordination donneur d'électrons synergique et puissant, réduisant efficacement la barrière énergétique de coordination des ions uranyle, c'est-à-dire le seuil d'énergie à franchir avant qu'une réaction chimique ne se produise. Cela facilite la réaction de capture, améliorant ainsi l'efficacité de capture des ions uranyle.
Les recherches montrent que, dans un système compétitif multi-ions, l'AC-POC présente une sélectivité élevée ; après 15 jours de fonctionnement continu dans de l'eau de mer naturelle, sa capacité dynamique d'extraction d'uranium est de 22,55 mg/g, soit 3,8 fois la référence correspondante du Département de l'Énergie des États-Unis. Par ailleurs, la charge négative à la surface des microsphères peut inhiber l'adhésion des micro-organismes et la formation de biofilms, contribuant ainsi à améliorer la stabilité de service du matériau dans un environnement marin réel.
Cette étude comble le vide dans le domaine des matériaux de cage organique poreuse pour l'extraction d'uranium de l'eau de mer et jette également les bases théoriques et techniques pour la conception de matériaux adsorbants durables, à haute résistance à l'encrassement, à haute sélectivité et à grande capacité pour l'extraction d'uranium de l'eau de mer.