Океаны покрывают большую часть поверхности Земли и поддерживают ошеломляющее количество форм жизни, но они также являются домом для небольшого количества ионов урана. И — если мы сможем получить эти конкретные ионы из воды — они могут стать устойчивым источником топлива для производства ядерной энергии.
Исследователи, публикующиеся в журнале ACS Central Science, теперь разработали материал для электрохимической экстракции, который притягивает труднодоступные ионы урана из морской воды более эффективно, чем существующие методы.
Ядерные энергетические реакторы высвобождают энергию, естественным образом хранящуюся внутри атома, и превращают ее в тепло и электричество, буквально разрывая атом на части — процесс, известный как деление. Уран стал предпочтительным элементом для этого процесса, поскольку все его формы нестабильны и радиоактивны, что облегчает расщепление.
В настоящее время этот металл добывают из горных пород, но запасы урановых руд ограничены. Тем не менее по оценкам Агентства по ядерной энергии, 4,5 миллиарда тонн урана плавают в наших океанах в виде растворенных ионов уранила. Этот запас более чем в 1000 раз больше, чем на суше.
Однако извлечение этих ионов оказалось сложной задачей, поскольку материалы для этого не имеют достаточной площади поверхности для эффективного улавливания ионов. Итак, Руй Чжао, Гуаншань Чжу и его коллеги хотели разработать электродный материал с множеством микроскопических укромных уголков и щелей, который можно было бы использовать для электрохимического захвата ионов урана из морской воды.
Для создания электродов команда начала с гибкой ткани, сотканной из углеродных волокон. Они покрыли ткань двумя специализированными мономерами, которые затем полимеризовали. Затем они обработали ткань гидрохлоридом гидроксиламина, чтобы добавить к полимерам амидоксимные группы. Естественная пористая структура ткани создала множество крошечных карманов, в которых амидоксим мог укрываться и легко улавливать ионы уранила.
В экспериментах исследователи поместили ткань с покрытием в качестве катода либо в морскую воду из природного источника, либо в морскую воду с добавлением урана, добавили графитовый анод и пропустили циклический ток между электродами. Со временем на катодной ткани накапливались ярко-желтые осадки на основе урана.
В ходе испытаний с использованием морской воды, собранной в Бохайском море, электроды извлекли 12,6 миллиграммов урана на грамм воды за 24 дня. Производительность материала с покрытием была выше, чем у большинства других материалов по извлечению урана, протестированных командой. Кроме того, использование электрохимии для улавливания ионов было примерно в три раза быстрее, чем простое накопление их на тканях естественным путем.
Исследователи говорят, что эта работа предлагает эффективный метод извлечения урана из морской воды, который может сделать океаны новым поставщиком ядерного топлива.
