Sustainable Uranium Extraction via Reversible Uranyl Carbonate Capture‐Release Cycling Stemming from Weak Interaction with Self‐Supporting Covalent Organic Frameworks

铀酰 化学 亚胺 齿合度 无机化学 共价键 碳酸乙烯酯 氢键 核化学 有机化学 材料科学 晶体结构 分子 离子 电解质 催化作用 物理化学 冶金 电极
作者
Ruiqing Cai,Yezi Hu,Zewen Shen,Liping Song,Hao Pan,Zhuoyu Ji,Lisha Yin,Hongliang Bao,Guixia Zhao,Yuejie Ai,Xiangke Wang,Xiubing Huang
出处
期刊:Small [Wiley]
标识
DOI:10.1002/smll.202501818
摘要

Abstract Extracting abundant uranium resources from the ocean would contribute greatly to the sustainable development of nuclear energy. In this work, it is found that the imine N, phenol‐bidentate chelation groups from imine‐Covalent‐Organic Frameworks (COFs) are superior sites for the weak complexation with uranyl carbonate species. The surprisingly low binding energy of −13.36 kcal mol −1 originating from the weak coordination bond and hydrogen bond benefits to the readily spontaneous decomplexation of the chelated uranyl carbonate species by CO 3 2− ions. Through the rational design of three COFs with uniform imine N, phenol‐bidentate sites but varied amine monomer geometry, i.e., pyrene COF (Py‐COF), 1,3,5‐Triazine COF (TTA‐COF) and porphyrin COF (TAPP‐COF), it's found that the abundantly available imine N, phenol‐bidentate sites ensured by the high specific surface area and strong hydrophilicity of Py‐COF and TTA‐COF result in the highly reversible uranyl capture‐release during the cycled extraction of uranyl carbonate from seawater and mild elution with 2.0 mM Na 2 CO 3 solution. With the 3.0 × 3.0 cm 2 self‐supported plate fabricated by Py‐COF growth on carbon cloth, a record high uranium extraction capacity of 45 mg g −1 (i.e., 3.0 mg g −1 day −1 ) from seawater is achieved within 15 days’ capture‐release cycles.
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