Новости химической науки > Молекулярно-каркасная губка для урана

Количество урана, которое содержится в водах мирового океана, в тысячи раз превышает запасы этого стратегически важного металла в разведанных месторождениях не земле. В соответствии с грубыми оценками, из океанской воды можно добыть около четырех миллиардов тонн урана – такие запасы могли бы обеспечить ядерные электростанции топливом на века, даже при условии быстрого промышленного роста.

Однако, до настоящего времени проблемам извлечения урана из морской воды было посвящено лишь ограниченное число исследований – главным образом из-за его чрезвычайно низкой концентрации. Результатом этих немногочисленных исследований стало еще меньшее количество материалов, способных выступать в качестве хороших урановых «губок». Результаты нового исследования говорят о том, что к этому списком можно добавить новый класс материалов – металлоорагнические каркасные соединения [metal-organic framework (MOF)].

Атомы кислорода, входящие в состав фосфорильных групп внутри тетраэдрической полости нового металлоорганического каркасного соединения, связывают UO₂²⁺, извлекая уран из воды. (Рисунок из Chem. Sci., 2013, DOI: 10.1039/C3SC50230A)

Металлоорганические каркасные структуры [metal-organic frameworks (MOF)] представляют собой кристаллические координационные полимеры, в которых ионы или кластеры металлов связаны друг с другом с помощью полидентатных лигандов-линкеров. Такой дизайн позволяет получить материалы с большими порами, открытыми внутренними каналами и большой площадью внутренней поверхности, пригодной для адсорбции частиц различного типа, причем свойства этой поверхности можно настраивать под поглощение определенных частиц.

Потенциальные возможности металлоорганических каркасных структур, а также те их свойства, которые уже используются в ряде практических приложений, побудили Венбина Лина (Wenbin Lin) из Университета Северной Каролины разработать и синтезировать металлоорганическую структуру, способную адсорбировать уран. Основываясь на результатах исследований, говорящих о том, что соединения с фосфорилмочевинными фрагментами демонстрируют высокое сродство к актиноидам, исследователи из группы Лина получили металлоорганические каркасные структуры, состоящие из кластеров циркония, фосфорилмочевинных групп и линкеров на основе двухосновных ароматических карбоновых кислот.

Лин поясняет, что для подстройки размеров пор металлоорганического каркасного материала под размеры уранил-катиона (UO₂²⁺, в форме которого уран в основном представлен в водах мирового океана) исследователи варьировали длину лигандов-линкеров.

Исследователи сообщают, что одна из новых металлоорганических каркасных структур может экстрагировать уран из воды (включая раствор, моделирующий морскую воду), демонстрируя емкость 217 мг урана на 1 грамм адсорбента. Такая адсорбционная емкость, соответствующая одному уранил-катиону на каждые две фосфорилмочевинные группы, значительно превосходит адсорбционную способность амидоксим-функционализированных полимеров, материалов, которые наиболее интенсивно изучаются в плане извлечения урана из морской воды. В настоящее время исследователи работают над оптимизацией выделения из адсорбента с целью его повторного использования.

Источник: Chem. Sci., 2013, DOI: 10.1039/C3SC50230A

метки статьи: #межмолекулярные взаимодействия, #новые материалы, #органический синтез, #химическая технология, #химия полимеров