北京化工大学「国家杰青」邱介山/东莞理工王刚Nature子刊 | 废水中铀的高效电化学提取!

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随着全球能源结构向清洁低碳转型，核能作为一种高能量密度的低碳能源备受关注。铀作为核燃料的关键元素，其大规模开采伴生的含铀废水渗入地下水系统，对生态环境和人类健康构成严重威胁。因此，发展高效、可持续的铀提取技术对于应对铀污染、实现资源回收具有重要意义。

电化学提取技术通过将水溶性的UO₂²⁺转化为电中性产物，可避免传统吸附中的库仑排斥问题，是一种极具前景的铀选择性捕获方法。然而，现有技术受限于铀物种转化路径单一、动力学缓慢、循环性能差及提取容量有限等问题，制约了其实际应用。目前研究多聚焦于电化学技术革新与电极吸附位点优化，而对铀在电极上的转化路径机制关注不足，这促使我们探索并构建新型铀转化路径，以提升电化学提取铀的效率。

图1 海胆状W₁₈O₄₉/PPy纳米花复合材料的合成过程与结构表征

北京化工大学邱介山教授、东莞理工学院王刚教授团队通过原位聚合法制备了具有有机-无机异质结的海胆状氧化钨/聚吡咯复合材料（W₁₈O₄₉/PPy），用于废水中铀的高效电化学提取。

该材料设计实现了双转化路径协同作用：一方面，PPy调控W₁₈O₄₉的电子结构，形成由PPy指向W₁₈O₄₉的内建电场，加速铀离子的吸附与还原固定；另一方面，PPy作为催化中心通过2e⁻-ORR途径原位生成H₂O₂，H₂O₂与UO₂²⁺直接反应生成过氧化铀水合物（(UO₂)O₂·2H₂O）。W₁₈O₄₉/PPy电极展现出高达3104.25 mg g⁻¹的铀提取容量，并在16.7小时内从加标地下水中回收15.75 mg铀。该工作为通过双转化路径实现高效电化学提取铀提供了新思路。

图2 W₁₈O₄₉/PPy电极在混合电容去离子模块中的电化学提铀性能

该项研究成功设计并合成了海胆状W₁₈O₄₉/PPy纳米花复合材料，用于废水中铀的高效电化学提取。系统表征与理论计算表明，材料界面形成的有机-无机异质结内建电场优化了电子传输路径，显著增强了铀离子的吸附与还原动力学。同时，PPy作为活性位点电催化原位生成H₂O₂，为铀物种提供了第二条高效转化路径。得益于双路径的协同效应，W₁₈O₄₉/PPy电极展现出优异的铀提取容量、循环稳定性和选择性，成功从实际地下水中高效回收铀。该研究不仅为含铀废水的处理与资源化回收提供了一种可扩展的电化学策略，也为后续高性能电极材料的理性设计提供了重要指导。

Zhao, L., Wang, G., Wang, S. et al. Dual conversion pathways for efficient electrochemical extraction of uranium. Nat Commun 16, 10975 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-65932-4  

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