湖南大学，最新Nature大子刊：海水提铀新突破

在全球能源转型的背景下，核能因其低碳、高效的特性被视为未来能源的重要组成部分。然而，传统铀矿资源有限，难以满足长期需求。值得注意的是，海水中蕴藏着约45亿吨的铀资源，远超陆地储量。但由于其浓度极低（约3 ppb），如何高效、经济地从海水中提取铀，成为科研界关注的焦点。

在此，湖南大学王双印教授和王燕勇副教授展示了一种创新的双极电化学铀提取（EUE）系统，通过同时采用阴极直接电还原和阳极电化学辅助间接还原两种机制，实现了高效、低成本的铀提取。该系统仅需0.6V的超低工作电压，即可对1-100ppm浓度范围的铀实现接近100%的提取效率。在实际海水测试中，该系统展现出85.3%的高选择性、45次循环的长期稳定性、1944kWh/kg铀的低能耗以及83.2美元/kg铀的成本优势。这项研究不仅为电化学系统设计提供了新思路，更为实现各类含铀废料资源的高效回收开辟了一条可持续发展的技术路径。相关成果以“Bipolar electrochemical uranium extraction from seawater with ultra-low cell voltage”为题发表在《Nature Sustainability》上，第一作者为Yanjing Wang, Guobin Wen, Zhijuan Liu, Ta Thi Thuy Nga, Chung-Li Dong为共同第一作者。

双极EUE系统的构建和机制

为降低海水提铀的能耗，作者设计了一种新型“双极电解系统”，用低电位的铜氧化反应代替传统高能耗的“析氧反应”（见图1c）。实验发现，铜在氧化为一价铜时只需0.3到0.7V，远低于析氧所需的1.23V；加入铀离子后，反应更快，电位更低，表明铜与铀之间存在协同作用。在新系统中，阳极和阴极都能高效提取铀，提取率分别为86.3%和96.0%（图2）。进一步分析显示，铜在氧化过程中促进了铀的还原与沉积，验证了这种“双极”设计的可行性。该系统不仅节能，还能同时在两极提铀，为高效海水提铀提供了新路径。

图1：常规和双极EUE方法的示意图

图2：用双极系统的电化学铀提取

为了进一步揭示“双极电解系统”的工作机制，研究人员利用多种原位或准原位技术，对系统在0.6V电压下的阳极和阴极演变过程进行了详细观察（图3）。结果发现，阳极材料中的铜在反应过程中逐步从低价态（Cu⁰和Cu⁺）被氧化为高价态（Cu²⁺），并与铀发生反应，生成铜氢氧氯化物和铀氧化物，说明铜不仅参与了电子转移，还帮助吸附并还原了铀。与此同时，铀离子（UO₂²⁺）在阴极被逐步还原为低价态铀，最终以UO₂形式沉积在电极表面（图3f,g,h）。实验还发现，当系统工作电压为0.6V时，阳极和阴极的提铀效率都达到最优（图3e），而电压过高则会导致阳极中的活性铜迅速氧化，来不及参与还原反应，从而降低提取效率。这一系列研究不仅揭示了“双极系统”的工作原理，也证明了它在低能耗条件下实现高效双极提铀的可行性。

图3：阳极和阴极的反应机理

EUE系统的电化学性能

研究人员进一步在更接近实际应用的双电极体系中测试了“双极电解系统”的提铀性能（图4a）。结果表明，在0.6V的电压下，该系统同样表现出优异的提铀效率（图4b）。即使在不同浓度的铀（从1 ppm到50 ppm）条件下，该系统在NaCl溶液中仍能稳定高效地提取铀（图4c）。通过扫描电镜和透射电镜观察到，在运行24小时后，阳极和阴极的表面结构均发生了显著变化，且铀在两极电极表面都均匀分布（图4d,e）。铜的微量转移也被检测到，这源于部分阳极铜的溶解并在阴极被还原，有效避免了铜对海水的污染。

图4：双极EUE系统过程及其性能

为推进实际应用，研究人员选用商用铜泡沫和钛片构建了简洁的“双极电解系统”（图5a），在0.6V电压下即能在海水和盐水中实现近乎100%的高效提铀（图5b–e）。这一过程依赖于电场促使铜表面快速形成活性Cu⁺，进而与铀离子反应生成不溶的铀氧化物，远优于传统物理吸附法。即使在铀浓度升高或复杂海水环境中，该系统依然稳定运行，不受微生物干扰，还展现出良好的抗菌性。进一步实验还表明，该系统可用更低电压运行，并支持多种电极材料组合，显示出强大的适应性和应用前景。

图5：不同溶液中的铀提取性能

海水的可重复性和效率

为了验证系统的稳定性和实用性，研究人员在含20 ppm铀的海水中连续提取和释放铀达45轮，提取效率始终保持在约100%（图6a）。即使在0.6V条件下连续运行100小时，系统依旧能在40分钟内完成高效提铀。在测试选择性时，即使铀周围存在大量其他金属离子（如V、Co、Ni、Zn），系统仍能优先提取铀，效率高达99.8%，铀的富集效果远超其他金属，尤其是与传统吸附材料易混淆的钒（图6b）。此外，系统在实际海水中的表现同样出色：在东海水中提取率接近100%，南海水中也达到85.3%；当扩大电极面积后，南海水的提取效率在2小时内也接近100%（图6c–e）。在经济性方面，该系统能耗显著降低——在天然海水中提铀的能耗仅为1,944 kWh/kg U，是此前技术的1/23；在模拟海水中则仅为0.5 kWh/kg U，降低超千倍（图6f）。最终计算显示，该系统提铀成本仅为83.2美元/kg U，远低于现有电化学方法（360美元）和物理吸附法（205美元）（图6g）。

图6：海水中的铀提取性能

小结

本研究开发了一种在仅0.6V超低电压下即可实现双极提铀的电化学系统，不仅能在阳极和阴极同时高效提取铀，还大大降低了能耗与成本。虽然该系统在实验室已表现出优异性能，但走向实际应用仍面临挑战。研究表明，使用廉价商用电极即可获得高提铀效率，为产业化推广提供了可能。通过放大电极面积、设计模块化结构等方式，系统在处理海水体积、提取速率和效率上都实现了提升（图6h）。例如，在pH为5、100升海水中运行58小时后，铀浓度下降至原来的6%，提取效率超过90%。未来，该系统有望广泛应用于核电厂、铀矿尾水等高浓度铀废水的资源回收，同时也为其它高效资源回收技术的设计提供了参考范式。

来源：高分子科学前沿

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