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Hierarchical triple-channel architectures unlock scalable and high-efficient uranium extraction from seawater

铀 吸附 海水 可扩展性 材料科学 萃取(化学) 浓缩铀 计算机科学 传质 环境科学 工艺工程 层流 纳米技术 贫化铀 扩散 蜂巢 软件部署 金属有机骨架
作者
Hui Wang,Congwen Cao,Jianming Chen,Guanbing Zhou,Tao Liu,Yihui Yuan,Ning Wang
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:16 (1): 10799-10799 被引量:25
标识
DOI:10.1038/s41467-025-65835-4
摘要

Abstract The ocean holds ~ 4.5 billion tons of uranium, a vast yet underexploited resource for sustainable nuclear energy. However, current seawater uranium adsorbents suffer from poor macroscale structures, limited mass transfer, and inefficient functional group utilization. Here, we report a bioinspired honeycomb-like polyamidoxime adsorbent featuring an interconnected hierarchical triple-channel architecture (HTC-PAO) that addresses these challenges. Its hierarchical structure—combining millimeter-scale honeycomb channels, sub-millimeter transverse channels, and intrinsic micropores—is 100 times thicker than conventional hydrogels, enabling practical marine deployment with high adsorption performance. Mass transfer analysis and COMSOL simulations reveal two synergistic pathways: (1) accelerated laminar flow through macrochannels (Reynolds number Re = 1981.52) and (2) diffusion-enhanced transport within microchannels (effective diffusivity D eff = 6.96 × 10⁻ 9 vs. 1.74 × 10⁻ 9 m²/s), working together to maximize uranium capture and functional group accessibility. As a result, HTC-PAO achieves a record uranium uptake of 14.69 mg U/g over 35 days—the highest among macroscale polyamidoxime adsorbents without external energy input—and demonstrates exceptional ion selectivity, reusability, and cost efficiency. These findings demonstrate that hierarchical triple-channel architectures can unlock efficient and scalable uranium extraction from seawater.
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