含鈾廢水的環(huán)境修復(fù)是核工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，兼具生態(tài)保護(hù)與資源回收的雙重意義。然而，傳統(tǒng)吸附法受限于緩慢的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，而新興的電化學(xué)法又因電子注入與鈾酰離子還原過(guò)程的直接耦合，易形成“離子阻隔層”，在低濃度廢水中效率銳減。

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，南京大學(xué)王曉君研究員、朱嘉教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種具有電子緩沖功能的可充電微電極吸附劑系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)“電子存儲(chǔ)-鈾提取-吸附劑再生”的三步循環(huán)，在時(shí)間和空間上將電子注入與鈾還原過(guò)程“解耦”，從根本上避免了離子阻隔層的形成。該研究成果以“Electron-buffering rechargeable microelectrode adsorbents for rapid environmental remediation of uranium-containing wastewater”為題，于2025年8月8日在線發(fā)表于Nature Water。

研究背景

隨著核能的快速發(fā)展，鈾礦開(kāi)采、燃料加工等環(huán)節(jié)產(chǎn)生的含鈾廢水對(duì)生態(tài)環(huán)境構(gòu)成了潛在威脅。如何高效、快速地處理這些通常濃度極低（0.1-10 ppm）的廢水，成為全球性難題。

目前主流的吸附法，依賴于官能團(tuán)與鈾酰離子的化學(xué)配位，其過(guò)程受熱力學(xué)平衡控制，動(dòng)力學(xué)響應(yīng)緩慢，且在含有大量競(jìng)爭(zhēng)陽(yáng)離子的工業(yè)廢水中選擇性差、效率低。電化學(xué)法雖然通過(guò)電還原驅(qū)動(dòng)反應(yīng)，有望提升效率，但其固有缺陷在于“電子注入”與“離子還原”的同步耦合。在處理低濃度廢水時(shí)，快速注入的電子遠(yuǎn)快于緩慢遷移的鈾酰離子，導(dǎo)致電極表面電子過(guò)剩，吸引大量競(jìng)爭(zhēng)陽(yáng)離子電荷富集，形成“離子阻隔層”。該阻隔層產(chǎn)生的庫(kù)侖斥力嚴(yán)重阻礙了目標(biāo)鈾酰離子的傳質(zhì)，使修復(fù)效率大打折扣。因此，開(kāi)發(fā)一種能夠打破動(dòng)力學(xué)瓶頸、避免離子阻隔的新策略迫在眉睫。

圖1：可充電微電極吸附劑的設(shè)計(jì)和循環(huán)過(guò)程

為攻克傳統(tǒng)技術(shù)瓶頸，該研究開(kāi)發(fā)了一種具有電子緩沖能力的可充電微電極吸附劑系統(tǒng)，其工作流程遵循“電子存儲(chǔ)→鈾提取→吸附劑再生”的三步循環(huán)。首先，微電極吸附劑在無(wú)競(jìng)爭(zhēng)離子的潔凈環(huán)境中預(yù)先儲(chǔ)存電子；隨后，在鈾提取過(guò)程中受控地釋放電子。這一設(shè)計(jì)巧妙地將電子注入和鈾酰離子還原過(guò)程在時(shí)間和空間上解耦，從根本上規(guī)避了離子阻隔層的形成。同時(shí)，材料表面的Fe-O鍵作為高效活性位點(diǎn)，捕獲鈾酰離子并降低其還原勢(shì)壘；而伴隨電子消耗釋放的平衡陽(yáng)離子則持續(xù)維持表面電負(fù)性，以實(shí)現(xiàn)高效的傳質(zhì)。最終，吸附了鈾的微電極通過(guò)快速洗脫回收鈾，并再次充電再生，實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)運(yùn)行（圖1）。

圖2：微電極材料的設(shè)計(jì)與篩選

在核心吸附劑材料的設(shè)計(jì)與篩選中，研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)評(píng)估了多種過(guò)渡金屬氧化物的催化活性，發(fā)現(xiàn)鐵基材料在含鈾溶液中展現(xiàn)出最大的還原電流和最小的還原過(guò)電位（圖2a,2b）。CV曲線測(cè)試證實(shí)，相比于四氧化三鐵，鐵基磷酸鹽材料具備優(yōu)異的電子緩沖與可逆釋放能力（圖2c）。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，鐵基磷酸鹽材料的氧化電位與其催化鈾酰離子還原的電位之間存在數(shù)百毫伏的勢(shì)差，這為驅(qū)動(dòng)鈾酰離子的自發(fā)還原提供了充足的熱力學(xué)動(dòng)力（圖2d）。此外，Zeta電位測(cè)試表明，鐵基磷酸鹽材料具有更強(qiáng)的表面電負(fù)性，有利于通過(guò)庫(kù)侖引力捕獲鈾酰離子（圖2e）。

圖3：可充電微電極吸附劑的鈾提取性能

新策略的優(yōu)越性在鈾提取性能測(cè)試中得到了充分驗(yàn)證。當(dāng)微電極吸附劑加入初始濃度為1000 ppm的模擬含鈾廢水中，溶液標(biāo)志性的亮黃色在6小時(shí)內(nèi)顯著褪去（圖3a），同時(shí)掃描電鏡圖像顯示其表面沉積了大量含鈾納米片層（圖3b）。性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)明確顯示，得益于電子緩沖機(jī)制，三種鐵基磷酸鹽微電極的吸附速率和容量均遙遙領(lǐng)先于不具備電子緩沖能力的四氧化三鐵（圖3c,3d）。其中，性能最優(yōu)的磷酸鐵鋰（LFP）微電極初始提取速率高達(dá)1062 mg g?1 h?1，飽和吸附容量達(dá)854 mg g?1，在不同初始濃度的廢水中均表現(xiàn)出快速、高效的提取能力（圖3e,3f）。

圖4：LFP微電極的反應(yīng)機(jī)理

為深入揭示“時(shí)空解耦”策略的內(nèi)在機(jī)理，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了精巧的“原電池”模擬裝置，對(duì)微電極的反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行解構(gòu)分析。結(jié)果有力地證明了LFP微電極內(nèi)部作為電子緩沖庫(kù)、外部表面進(jìn)行催化還原的協(xié)同機(jī)制（圖4a,4b,4c）。Zeta電位測(cè)試表明，材料在放電過(guò)程中始終保持穩(wěn)定的表面負(fù)電性，從而持續(xù)吸引鈾酰離子（圖4d）。通過(guò)定量分析發(fā)現(xiàn)，鋰離子的釋放與鈾的還原嚴(yán)格遵循2:1的化學(xué)計(jì)量比，證實(shí)了電子在反應(yīng)中被精準(zhǔn)利用，利用率接近100%（圖4e,4f）。U 4f XPS和同步輻射表征則從原子層面確認(rèn)了鈾被還原的價(jià)態(tài)變化及其與表面活性位點(diǎn)的相互作用（圖4g,4h,4i）。

圖5：提取鈾的回收與LFP微電極的重復(fù)利用

優(yōu)異的性能之外，該系統(tǒng)的可重復(fù)利用性和實(shí)際應(yīng)用潛力同樣出色。實(shí)驗(yàn)表明，吸附飽和后的LFP微電極在環(huán)保的洗脫液中，30分鐘內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)超過(guò)95%的鈾回收（圖5a）。再生后的LFP微電極，其結(jié)構(gòu)和電化學(xué)活性幾乎無(wú)衰減，吸附性能與初始狀態(tài)保持一致（圖5b,5c）。在長(zhǎng)達(dá)10次的連續(xù)“提取-洗脫-再生”循環(huán)測(cè)試中，系統(tǒng)性能始終保持穩(wěn)定，展現(xiàn)了其工業(yè)應(yīng)用的魯棒性（圖5d,5e）。更進(jìn)一步，團(tuán)隊(duì)搭建了中試規(guī)模的處理裝置，成功處理了50升源自真實(shí)鈾礦、濃度僅為0.545 ppm的廢水，平均去除率高達(dá)96%，并最終獲得了高純度鈾產(chǎn)物（圖5f,5g）。

總結(jié)與展望

該研究開(kāi)發(fā)了一種創(chuàng)新的電子緩沖策略，通過(guò)設(shè)計(jì)可充電微電極吸附劑，成功實(shí)現(xiàn)了電子傳遞與鈾酰離子還原過(guò)程的時(shí)空解耦，從根本上解決了傳統(tǒng)電化學(xué)系統(tǒng)在處理低濃度廢水時(shí)面臨的離子阻擋難題。該微電極架構(gòu)集電子緩沖、表面催化和陽(yáng)離子平衡等多重協(xié)同效應(yīng)于一體，實(shí)現(xiàn)了電子傳遞與鈾還原的精準(zhǔn)同步，顯著提升了提取效率，初始速率達(dá)1062 mg g?1 h?1，容量為854 mg g?1，且電子利用效率高達(dá)100%。通過(guò)對(duì)真實(shí)鈾礦廢水的提取，系統(tǒng)展示了其在0.545 ppm極低濃度下的高效去除能力，并成功回收了高純度鈾產(chǎn)品，驗(yàn)證了其應(yīng)用潛力。

除鈾提取外，該電子緩沖策略為低濃度污染物的去除提供了一個(gè)全新思路，即通過(guò)時(shí)空解耦分離電子注入與離子還原過(guò)程，以有效防止離子阻擋層的形成。這一傳質(zhì)效率的根本性提升，有望為解決其他稀廢液的環(huán)境修復(fù)與資源回收挑戰(zhàn)開(kāi)辟新思路。