表面硫酸化強化Fe(II)Fe(III)動態(tài)循環(huán) | 在超低槽電壓下實現(xiàn)高效鈾資源回收

湖南大學電催化與電合成實驗室

　　本文為湖南大學電催化與電合成實驗室所作，第一作者為湖南大學博士研究生王燕靜和宋明磊，通訊作者為湖南大學王燕勇副教授，文章發(fā)表于Environmental Science & Technology （Environ. Sci. Technol. 10.1021/acs.est.3c05133）

　　鈾作為一種核工業(yè)發(fā)展不可或缺的重要戰(zhàn)略資源，在海洋和鈾礦開采的廢水中含有豐富的鈾資源，實現(xiàn)海水（3 ppb）或廢水（5~50 ppm）中高效提取鈾資源對核工業(yè)的發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義。電化學法提鈾因其吸附容量大和吸附速率快而顯示出巨大的潛力，但其也面臨著能耗高、選擇性低等系列挑戰(zhàn)。研究團隊前期通過電化學介導Fe(II)/Fe(III)循環(huán)可以顯著降低電化學法提鈾的槽電壓，但納米還原鐵（NRI）易失活和團聚的缺點，其應用受到限制，因此對鈾的選擇性和穩(wěn)定性仍有待進一步提高?；谙嚓P問題，本工作采用一步法合成了硫酸根修飾的納米鐵（S-NRI）實現(xiàn)了超低電壓（-0.1 V）下優(yōu)異的鈾提取容量和速率，并表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。結(jié)合準原位X射線光電子能譜儀（XPS）和電化學原位拉曼等表征手段，揭示了M-SO42-基團和可再生Fe(II)位點分別是UO22+的主要吸附和反應位點。

圖1. X射線光電子能譜儀（島津-KRATOS公司，AXIS SUPRA）

圖2. S-NRI提鈾前后的SEM、TEM、HRTEM和EDS-mapping

　　XPS作為一種高靈敏超微量表面分析技術，能夠?qū)腆w樣品的元素成分進行定性、定量或半定量及價態(tài)分析，廣泛地應用于材料元素分析、多相研究、化合物結(jié)構(gòu)分析、元素價態(tài)分析。團隊利用準原位XPS，結(jié)合電化學原位拉曼分析了催化劑、沉積的鈾在反應過程中價態(tài)的變化。

圖3. S-NRI電化學提鈾過程中原位拉曼測試譜圖和準原位XPS測試結(jié)果

　　通過準原位XPS分析和電化學原位拉曼，分析了電化學過程中催化劑和吸附鈾的界面物種的動態(tài)演變過程，研究表明M-SO42-基團和可再生Fe(II)位點分別是UO22+的主要吸附位點和反應位點。

圖4. 提鈾機制解析

　　團隊通過以S-NRI作為模型催化劑，進一步揭示提鈾機制，相關結(jié)果表明：Fe(II)可以自發(fā)還原U(VI)形成Fe(III)和U(IV)，而生成的Fe(III)部分電還原為Fe(II)，說明Fe(II)的自發(fā)氧化和S-NRI表面的Fe(III)電還原達到了動態(tài)平衡，這有利于Fe(II)活性位點的持續(xù)再生，維持U(VI)的持續(xù)還原。而且Fe-SO42-和UO22+之間強烈的化學相互作用提高了鈾酰離子的吸附效率，電化學法鈾提取容量和去除率均高于物理化學吸附法，這說明電場促進了Fe(II)活性位點的持續(xù)再生和U(VI)的還原。

　　相關工作結(jié)合準原位XPS和相關電化學原位表征手段系統(tǒng)研究了Fe基催化劑在海水提鈾過程中的構(gòu)效關系。提出了電化學介導的、低能耗的鈾離子提取新策略，利用界面電催化還原實現(xiàn)了鈾離子的高效提取與資源化利用，該研究策略能夠拓展到其它重金屬污染物的回收體系中，為高效海水/廢水金屬污染物資源化利用提供了新的思路。

　　文獻題目

　　《Strengthening Fe(II)/Fe(III) Dynamic Cycling by Surface Sulfation to Achieve Efficient Electrochemical Uranium Extraction at Ultralow Cell Voltage》

　　使用儀器

　　島津AXIS SUPRA

　　作者

　　Yanjing Wang, Minglei Song, Jianrong Wei, Jie You, Siping Chen, Shuangyin Wang, and Yanyong Wang*

　　State Key Laboratory of Chem/Bio-Sensingand Chemometrics, College of Chemistry and ChemicalEngineering, Hunan University, Changsha, Hunan 410082, P.R. China;

　　State Key Laboratory of Chem/Bio-Sensingand Chemometrics, College of Chemistry and ChemicalEngineering, Hunan University, Changsha, Hunan 410082, P.R. China;

　　全文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.3c05133

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