Wetenschappers hebben een materiaal ontwikkeld dat recordhoeveelheden uranium uit natuurlijk zeewater haalt. Door de doorbraak lijkt de vrijwel ‘onuitputbare’ oceaanvoorraad voor het eerst minder onbereikbaar.
De oceanen bevatten naar schatting 4,5 miljard ton uranium, opgelost in extreem lage concentraties. Het is een vrijwel onuitputtelijke bron, maar lange tijd volledig buiten bereik omdat extractie in zeewater wordt bemoeilijkt door talloze concurrerende ionen en organische stoffen.
Ter vergelijking: op land zijn de bekende reserves goed voor ongeveer 17 miljoen ton, en die worden bovendien steeds schaarser en duurder om te winnen.
Volgens de studie, gepubliceerd in Sustainable Carbon Materials, hebben onderzoekers nu een materiaal ontwikkeld dat deze zeewateruitdaging opmerkelijk goed weet te omzeilen en in natuurlijk zeewater de hoogste uraniumopbrengst ooit behaalde.
Doorbraak in materiaalontwerp
Onder leiding van dr. Xishi Tai (Weifang University) en dr. Zhenli Sun (North China Electric Power University) ontwikkelden de onderzoekers een nieuwe familie van zogeheten sulfonische covalente organische raamwerken: S-COFs. Het innovatieve element zit niet alleen in de chemie, maar vooral in hoe de interne lagen van het materiaal op elkaar zijn gestapeld.
Dr. Tai beschrijft het als “stacking mode engineering” – een ontwerpstrategie waarbij de laagjes zo worden gepositioneerd dat uraniumionen precies passen in een ‘vak’ dat aansluit op hun bindingsvoorkeuren. Het team koos voor een AB-stapeling, waarbij sulfonische groepen een nauw omsloten pocket vormen die uranium via vierpuntscoördinatie vasthoudt. Dit in tegenstelling tot de traditionele AA-stapeling, die veel minder selectief en zwakker bindt.
Recordvangst: 31,5 mg uranium per gram
De prestaties zijn meer dan indrukwekkend te noemen. Het nieuwe AB-gestapelde S-COF vertoonde een ongeveer duizend keer hogere bindingsaffiniteit dan de AA-variant.
In natuurlijk zeewater, dus niet in kunstmatig verrijkte oplossingen, wist het materiaal binnen één dag 31,5 milligram uranium per gram sorbens te extraheren. Dat is een nieuw wereldrecord. Bovendien bleek het materiaal zeer selectief: problematische ionen zoals vanadium, die normaal gesproken de extractie verstoren, werden grotendeels genegeerd.
Die selectiviteit kan op termijn breder ingezet worden, bijvoorbeeld voor het isoleren van schaarse metalen zoals lithium of kobalt uit complexe milieus – relevant voor accu’s, waterzuivering en high-tech industrieën.
Nog grote uitdagingen
Het onderzoek staat nog in zijn kinderschoenen, en voordat dit soort materialen op grote schaal inzetbaar zijn moeten ze nog enkele grote uitdagingen overwinnen. Zo moeten de sorbenten langdurig bestand zijn tegen zout, stroming, zand en biologische aangroei, én tientallen regeneratiecycli doorstaan zonder hun structuur te verliezen. Daarnaast is het essentieel dat de productie uiteindelijk goedkoop genoeg wordt om te kunnen concurreren met conventionele mijnbouw.
Het zijn geen kleine drempels, maar het concept laat wel een duidelijk pad vooruit zien. COF-materialen zijn modulair, relatief licht en chemisch aanpasbaar, wat ze veelbelovend maakt voor opschaling. Bovendien zou grootschalige uraniumwinning uit zee de geopolitieke druk rond kernbrandstof flink kunnen verlagen.
Dr. Tai blijft dan ook optimistisch: “Naarmate materialen slimmer worden, zullen ze een steeds grotere rol spelen in duurzame energiesystemen.”
Belangrijke stap
De nieuwe S-COF-materialen vormen geen onmiddellijke oplossing voor de tekorten in uraniumreserves, maar ze markeren wél een belangrijke stap richting een toekomst waarin kernenergie kan beschikken over een vrijwel onbegrensde brandstofbron.
Als de technologie kan worden opgeschaald, zou dit een gamechanger kunnen zijn in de wereldwijde energietransitie.
