Мировой океан хранит колоссальные запасы урана, растворенного в воде в очень низких концентрациях. Этот уран потенциально может стать устойчивым источником топлива для атомной энергетики. Однако главная трудность заключается в разработке метода, позволяющего извлекать его из морской воды быстро и с высокой эффективностью. Ключевая проблема состоит в достижении баланса между высокой селективностью, то есть способностью материала избирательно связывать только ионы урана, и быстрым транспортом этих ионов внутрь адсорбента.
Традиционные адсорбенты, имеющие упорядоченную каркасную или кристаллическую структуру, используют точные наноразмерные «ловушки» для ионов. Их недостаток заключается в склонности к самоблокировке из-за стерических затруднений: по мере заполнения внешних пор доступ ионов во внутренние слои материала затрудняется, что ограничивает скорость и общую эффективность процесса извлечения урана.
Решение этой проблемы предложила группа исследователей под руководством профессора Вэнь Липин из Технического института физики и химии Китайской академии наук. Ученые разработали принципиально новый биомиметический адсорбент, способный эффективно притягивать и удерживать ионы урана. Результаты этого новаторского исследования были недавно опубликованы в научном журнале Matter.
Источником вдохновения для создания нового материала послужила природная пористая структура плода ликвидамбара формозского (Liquidambar formosana), также известного как китайское стираксовое дерево. Эти шаровидные колючие плоды обладают уникальной иерархической структурой, включающей радиально расходящиеся макропоры и сеть лигниновых волокон. Такая природная архитектура обеспечивает поразительно быструю транспортировку веществ: им требуется всего 0.3 секунды, чтобы переместиться от поверхности поры к ее центру.
Исследователи воспроизвели этот природный дизайн, создав сферический адсорбирующий материал с аналогичными иерархическими каналами. Целью такого биомиметического подхода было преодоление проблемы блокировки пор, характерной для традиционных адсорбентов, и существенное ускорение транспорта ионов внутрь материала, повторяя природный механизм эффективности плода Liquidambar formosana.
Биомиметическая иерархическая структура радикально улучшает диффузию ионов во внутренние слои адсорбента. Экспериментальные исследования и теоретическое моделирование подтвердили, что такая архитектура эффективно решает проблему блокировки пор. В лабораторных условиях это привело к значительному увеличению адсорбционной емкости по урану — до 213% по сравнению с материалами без иерархической структуры или предыдущими методами.
Важным аспектом новой технологии является возможность управления свойствами адсорбента. Контролируя размер мягкого темплата (шаблона), используемого в процессе синтеза материала, исследователи могут точно настраивать плотность пор и толщину их стенок. Численное моделирование подтвердило, что эти параметры напрямую влияют на адсорбционную производительность материала.
Эффективность нового адсорбента была проверена в реальных условиях при испытаниях в морской воде. Результаты показали, что материал с иерархической структурой обладает исключительной селективностью по отношению к урану. Он эффективно извлекал целевые ионы даже в присутствии значительных концентраций конкурирующих ионов.
Особенно важно, что адсорбент успешно справлялся с конкуренцией со стороны распространенных в морской воде ионов, таких как ванадий и железо, избирательно поглощая уран. Это подтверждает его высокую практическую ценность для реального применения.
В ходе испытаний в морской воде адсорбент с иерархической микроструктурой продемонстрировал увеличение адсорбционной емкости на 150% по сравнению с контрольными образцами адсорбентов, не имеющими такой сложной структуры. Этот результат наглядно показывает преимущество биомиметического дизайна.
Полученные данные подчеркивают огромный потенциал биомимикрии — инженерного подхода, основанного на заимствовании идей у природы. Разработанный адсорбент предлагает многообещающий путь для решения критически важной задачи по извлечению ценных ресурсов, в частности, урана, из такого сложного и масштабного источника, как Мировой океан.
Изображение носит иллюстративный характер
Традиционные адсорбенты, имеющие упорядоченную каркасную или кристаллическую структуру, используют точные наноразмерные «ловушки» для ионов. Их недостаток заключается в склонности к самоблокировке из-за стерических затруднений: по мере заполнения внешних пор доступ ионов во внутренние слои материала затрудняется, что ограничивает скорость и общую эффективность процесса извлечения урана.
Решение этой проблемы предложила группа исследователей под руководством профессора Вэнь Липин из Технического института физики и химии Китайской академии наук. Ученые разработали принципиально новый биомиметический адсорбент, способный эффективно притягивать и удерживать ионы урана. Результаты этого новаторского исследования были недавно опубликованы в научном журнале Matter.
Источником вдохновения для создания нового материала послужила природная пористая структура плода ликвидамбара формозского (Liquidambar formosana), также известного как китайское стираксовое дерево. Эти шаровидные колючие плоды обладают уникальной иерархической структурой, включающей радиально расходящиеся макропоры и сеть лигниновых волокон. Такая природная архитектура обеспечивает поразительно быструю транспортировку веществ: им требуется всего 0.3 секунды, чтобы переместиться от поверхности поры к ее центру.
Исследователи воспроизвели этот природный дизайн, создав сферический адсорбирующий материал с аналогичными иерархическими каналами. Целью такого биомиметического подхода было преодоление проблемы блокировки пор, характерной для традиционных адсорбентов, и существенное ускорение транспорта ионов внутрь материала, повторяя природный механизм эффективности плода Liquidambar formosana.
Биомиметическая иерархическая структура радикально улучшает диффузию ионов во внутренние слои адсорбента. Экспериментальные исследования и теоретическое моделирование подтвердили, что такая архитектура эффективно решает проблему блокировки пор. В лабораторных условиях это привело к значительному увеличению адсорбционной емкости по урану — до 213% по сравнению с материалами без иерархической структуры или предыдущими методами.
Важным аспектом новой технологии является возможность управления свойствами адсорбента. Контролируя размер мягкого темплата (шаблона), используемого в процессе синтеза материала, исследователи могут точно настраивать плотность пор и толщину их стенок. Численное моделирование подтвердило, что эти параметры напрямую влияют на адсорбционную производительность материала.
Эффективность нового адсорбента была проверена в реальных условиях при испытаниях в морской воде. Результаты показали, что материал с иерархической структурой обладает исключительной селективностью по отношению к урану. Он эффективно извлекал целевые ионы даже в присутствии значительных концентраций конкурирующих ионов.
Особенно важно, что адсорбент успешно справлялся с конкуренцией со стороны распространенных в морской воде ионов, таких как ванадий и железо, избирательно поглощая уран. Это подтверждает его высокую практическую ценность для реального применения.
В ходе испытаний в морской воде адсорбент с иерархической микроструктурой продемонстрировал увеличение адсорбционной емкости на 150% по сравнению с контрольными образцами адсорбентов, не имеющими такой сложной структуры. Этот результат наглядно показывает преимущество биомиметического дизайна.
Полученные данные подчеркивают огромный потенциал биомимикрии — инженерного подхода, основанного на заимствовании идей у природы. Разработанный адсорбент предлагает многообещающий путь для решения критически важной задачи по извлечению ценных ресурсов, в частности, урана, из такого сложного и масштабного источника, как Мировой океан.
