في الآونة الأخيرة، قام فريق بحث تعاوني بقيادة البروفيسور تشيو جيشان من جامعة بكين للتكنولوجيا الكيميائية والبروفيسور وانغ قانغ في جامعة دونغقوان للتكنولوجيا بتطوير مادة تحفيزية كهربائية ذات مسار تحويل مزدوج. يمكن لهذه المادة استخراج واستعادة معدن اليورانيوم الثمين للغاية بكفاءة من اليورانيوم-الذي يحتوي على مياه الصرف الصحي، حيث يتم استخلاص ما يزيد عن ثلاثة أضعاف وزنه في عملية استخراج واحدة.
في غضون 72 ساعة، يمكن للمادة إزالة 98.4% من اليورانيوم من اليورانيوم-المحتوي على مياه الصرف الصحي، مما يقلل تركيز اليورانيوم إلى 0.022 ملجم لتر⁻¹، بما يلبي المعايير الدولية لمياه الشرب (0.03 ملجم لتر⁻¹). وأكدت التجارب المعيارية أنه يمكن استخراج 15.75 ملغ من اليورانيوم من المياه الجوفية خلال 17 ساعة.
الطاقة النووية مصدر حيوي للطاقة يدعم التنمية الاقتصادية والاجتماعية. واليورانيوم مادة أساسية لتوليد الطاقة النووية. ومع ذلك، أصبحت رواسب اليورانيوم التي يتم استخراجها بسهولة على الأرض نادرة بشكل متزايد، في حين أن مياه الصرف الصحي التي تحتوي على كميات ضئيلة من اليورانيوم وفيرة، مما يهدر الموارد ويلوث البيئة. إن مادة التحفيز الكهربائي التي طورها هذا الفريق هي نوع جديد من المواد النانوية القادرة على استخلاص اليورانيوم من الماء بكفاءة وسرعة ونظيفة.
(المصدر: https://www.nature.com/articles/s41467-025-65932-4)
01 مادة تحفيز كهربائي ثنائية الوظيفة قادرة على "المشي على قدمين"
ويكمن هذا الإنجاز في تصميم وظيفة مزدوجة لهذه المادة التحفيزية الكهربائية، مما يمنحها القدرة على "المشي على قدمين".
تقترن هذه المادة التحفيزية الكهربائية الخاصة التي قاموا بإنشائها ببراعة من مادتين: أكسيد التنغستن غير العضوي والبولي بيرول العضوي.
وينمو أكسيد التنغستن ليأخذ شكل قنفذ البحر، في حين أن البولي بيرول، مثل طبقة من الهلام الموصل، يُغطى بالتساوي على سطح قنفذ البحر.
يمنح هذا الهيكل المركب المبتكر هذه المادة التحفيزية الكهربائية الجديدة الإمكانيتين الرئيسيتين التاليتين:
القدرة الأولى هي المجال الكهربائي الداخلي "المغناطيس".
بعد دمج أكسيد التنغستن والبولي بيرول، يتم إنشاء مجال كهربائي داخلي صغير بينهما. يعمل هذا المجال الكهربائي مثل شريحة الإلكترون الاتجاهية، مما يسمح للإلكترونات بالتدفق بسلاسة أكبر من البولي بيرول إلى أكسيد التنغستن.
ونتيجة لذلك، يصبح سطح أكسيد التنغستن أكثر مهارة في التقاط وترويض أيونات اليورانيوم المشحونة إيجابيا، مما يؤدي إلى اختزالها بسرعة إلى اليورانيوم الصلب. ببساطة، فهو يجعل المحفز الكهربائي أكثر جاذبية لليورانيوم، ويحتفظ به بقوة أكبر، ومعدل التخفيض أسرع.
أما الإمكانية الثانية فهي-الإنتاج الذاتي "للمرسب".
يتمتع البولي بيرول بحد ذاته بقدرة فريدة: فهو يمكنه الاستفادة الكاملة من الأكسجين المذاب في الماء، وإنتاج بيروكسيد الهيدروجين بشكل ثابت-وهو نفس بيروكسيد الهيدروجين المستخدم في التطهير-استنادًا إلى تفاعل اختزال الأكسجين-بإلكترونين.
وهذا أمر بالغ الأهمية لأن بيروكسيد الهيدروجين، عند مواجهة أيونات اليورانيوم في الماء، يخضع على الفور لتفاعل "كيمياء النقر"، مما يؤدي إلى توليد راسب صلب أصفر يسمى بيروكسيد اليورانيوم.
يعد هذا التفاعل-طريقة صناعية راسخة لتنقية اليورانيوم. بهذه الطريقة، لا يجذب القطب أيونات اليورانيوم فحسب، بل يرسبها أيضًا على الفور على شكل راسب أصفر صلب على نفسه، ويفصلها تمامًا عن الماء.
لهذين المسارين-المجال الكهربائي-الاختزال الكهروكيميائي الناتج عن بيروكسيد الهيدروجين-الترسيب الكيميائي-تأثير تآزري، مثل تجهيز المحفز الكهربائي بمحرك مزدوج، مما يؤدي إلى تسريع السرعة والكمية الإجمالية لليورانيوم المستخرج من الماء بشكل كبير.
(المصدر: https://www.nature.com/articles/s41467-025-65932-4)
02 استخلاص عالي، استخلاص سريع، التعرف الواضح، استخدام طويل الأمد-.
لقد أثبتت التجارب الأداء المذهل لهذا المحفز الكهربائي-المزدوج المحرك:
أولاً، يستخرج كمية كبيرة. وخلال الاختبار التجريبي، وصلت أعلى قدرة استخلاص له إلى 3104 ملليجرام من اليورانيوم لكل جرام من المادة، أي ما يقرب من ضعف التقنيات الرائدة الحالية.
ثانيا، يستخرج بسرعة. وفي الماء المؤكسج، يمكنه إزالة أكثر من 93% من اليورانيوم خلال 6 ساعات، أي ما يقرب من ضعف الكفاءة كما هو الحال في بيئة-محرك واحد خالية من الأكسجين-.
ثانيًا، يُظهر انتقائية ممتازة؛ حتى مع وجود أيونات المعادن الشائعة مثل الصوديوم والكالسيوم والمغنيسيوم في الماء، لا يزال بإمكان مادة الإلكترود التقاط اليورانيوم بدقة وبشكل تفضيلي.
أخيرًا، يتميز بطول العمر. يؤدي الغسل اللطيف باستخدام حمض مخفف إلى إذابة واستعادة الحجارة الصفراء الصغيرة الملتصقة بمادة المحفز الكهربائي. مادة القطب الكهربائي نفسها قوية ومستقرة، مما يسمح بإعادة الاستخدام 20 مرة على الأقل دون أي تدهور في الأداء تقريبًا.
وهذا يعني أن مادة المحفز الكهربي -النانو الوظيفية هذه تتمتع بآفاق تطبيقية واسعة النطاق. وفي تعدين اليورانيوم ومعالجته ومعالجة مخلفاته، يمكن لهذه التكنولوجيا استعادة اليورانيوم بكفاءة من مياه الصرف الصحي، مما يقلل من النفايات المشعة وإعادة تدوير الموارد القيمة.
إن كيفية استخراج اليورانيوم بشكل اقتصادي وفعال من كميات هائلة من مياه البحر يمثل تحديًا طويل الأمد-. توفر التكنولوجيا الفعالة والمنخفضة الطاقة- التي طورها البروفيسور تشيو جيشان وفريق البروفيسور وانغ جانج أسلوبًا جديدًا للتنمية المستقبلية لموارد اليورانيوم البحرية.
علاوة على ذلك، فإن تطبيقه في معالجة المياه الجوفية الملوثة باليورانيوم-يمكن أن يضمن الأمن المائي والصحة البيئية.
(المصدر: https://www.nature.com/articles/s41467-025-65932-4)
فيما يتعلق بالخطط المستقبلية، قال البروفيسور تشيو جيشان لـ DeepTech، "سيتعاون فريقنا بشكل وثيق مع مؤسسات بحثية رفيعة المستوى- ومع علماء محليين ودوليين، باستخدام تقنيات التوصيف- المتقدمة في الموقع للكشف بعمق عن البنية الجوهرية -علاقة النشاط لهذه المواد التحفيزية الكهربية الوظيفية وآليات النقل والتطور لأنواع اليورانيوم، مما يؤدي إلى تحسين تصميم المواد وتحسين أداء استخراج اليورانيوم."
وفي المقابلة، تصور أيضًا آفاق التطبيق الواسع للمواد الوظيفية، وخاصة مواد الكربون الوظيفية، في فصل الغاز، وتخزين الطاقة، والحفز الكيميائي، وخاصة في التطبيقات التي تحتاجها الدولة بشكل عاجل، مثل{0}}مواد وأجهزة تخزين الطاقة عالية الأداء، وتحلية مياه البحر، والتحليل الكهربائي للمياه لإنتاج الهيدروجين إلى جانب التصنيع الذكي للمواد الكيميائية الدقيقة. وفي هذه المجالات، ستلعب المواد الكربونية الوظيفية، نظرًا لبنيتها وخصائصها الفريدة، دورًا حاسمًا.