他，37岁获「国家杰青」资助，8天连发2篇Nature大子刊！

破解铀废水治理瓶颈！

在核能产业快速发展的背景下，铀资源的安全利用与废水治理已成为全球关注的重大课题。铀矿开采、燃料加工及核电运行过程中会产生大量含铀废水，尽管其中铀浓度极低（0.1–10 ppm），但由于排放量大、生成持续，若处理不当将对生态系统与人类健康造成潜在威胁。传统吸附法依赖铀离子与吸附位点的化学配位作用，存在动力学慢、竞争离子干扰大等问题；而电化学方法虽然能加快铀还原沉积，但受制于电子注入与铀还原强耦合，极易形成“离子阻塞层”，显著降低处理效率。

针对这一核心难题，南京大学朱嘉教授联合王晓君助理教授共同提出了一种 “电子缓冲”可充电微电极吸附剂体系，通过“电子储存–铀提取–材料再生”三步循环，将电子注入与铀还原过程在时间与空间上彻底解耦。材料在无竞争离子的环境中先行储电子，接触含铀废水时再按需释放电子实现铀的捕获与还原。表面Fe–O活性位点不仅能牢牢抓住铀酰离子，还能降低还原反应过电位；同时，伴随电子释放的平衡阳离子维持表面负电性，加速铀离子迁移。这一协同机制让体系实现了1062 mg g⁻¹ h⁻¹的初始提取速率、854 mg g⁻¹的容量以及接近100%的电子利用率。在真实铀矿废水（0.545 ppm铀）中，6小时内即可去除97.1%铀，容量达78.5 mg g⁻¹，验证了实际应用潜力。相关成果以“Electron-buffering rechargeable microelectrode adsorbents for rapid environmental remediation of uranium-containing wastewater”为题发表在《Nature Water》上，第一作者为陈思哲。

值得一提的是，这是朱嘉教授团队继7月31日《Nature Sustainability》后的又一大子刊！

图1 ：“三步循环”工作原理

精准筛选，锁定铁基磷酸盐为核心材料

为了兼具电子缓冲、表面催化和高负电性三大特征，作者系统评估了多种过渡金属氧化物的铀还原催化活性（图2a-b）。结果显示，Fe₃O₄在电流密度和过电位表现最佳，提示Fe–O键在电子结构与配位环境上非常契合铀还原需求。基于此，研究者选定三种铁基磷酸盐——LiFePO₄（LFP）、LiMn₀.₆Fe₀.₄PO₄（LMFP）、Na₄Fe₃(PO₄)₂(P₂O₇)（NFPP）——作为候选微电极吸附剂。循环伏安（CV）测试表明，这三种材料均能在充放电过程中稳定储放电子（图2c），且其氧化电位均高于铀酰离子还原电位（图2d），保证了自发电子转移能力。同时，ζ电位测试显示三者在中性条件下表面电位分别为−55 mV、−48 mV和−37 mV（图2e），有利于吸引带正电的铀酰离子。

图2：微电极材料的设计和筛选

高速捕铀，机制直观可见

在模拟高浓度（1000 ppm）铀废水中，LFP表现出最突出的提取性能：溶液中亮黄色的铀酰离子颜色在6小时内完全消失，颗粒表面生成的黄色沉积物经SEM证实为铀纳米片（图3a-b）。动力学测试中，LFP的初始提取速率达1062 mg g⁻¹ h⁻¹，容量854 mg g⁻¹，明显优于LMFP与NFPP（图3c-d）；相比同样含Fe–O活性位但无电子缓冲结构的Fe₃O₄，其容量仅为33 mg g⁻¹，不足LFP的1/25。在不同初始浓度下（0.8–1000 ppm），LFP依然保持快速提取特性，即便在仅0.8 ppm时，容量仍有417 mg g⁻¹（图3e）。更重要的是，即使溶液中存在大量竞争离子，性能也几乎不受影响（图3f），工业废水处理适应性极强。

图3：可充电微电极吸附剂的铀萃取性能

为验证“电子储存–按需释放”机制，团队搭建了模拟微电极反应的分隔电池（图4a-b）。结果显示，当阴极表面缺乏Fe–O催化位点时，即使电子充足也无法有效还原铀；而具备催化位点的LFP阴极无论是否直接连通电子源，都能高效提取铀。实验还观察到，在提取过程中LFP释放的锂离子与铀还原产物的摩尔比稳定在2:1（图4e），电子利用率始终接近100%（图4f），证明电子几乎全部用于铀还原而非副反应。分子水平表征进一步揭示机理：XPS检测到铀的价态由U(VI)降为U(IV)（图4g），EXAFS分析则表明还原后的铀–氧键长发生延伸（图4h-i），与电子富集削弱键合作用的理论相符。

图4：LFP微电极的拟议反应机理

快速再生，循环稳定性突出

材料再生采用Na₂CO₃ + H₂O₂混合淋洗体系，30分钟即可回收95%铀，4小时实现完全脱附（图5a）。经过再充电处理，LFP几乎恢复全部储电子能力（图5b-c），且在10个“提取–再生”循环中，铀去除率始终维持在95%以上（图5d-e），结构与性能均无明显衰减。在真实铀矿废水中，尽管杂质离子浓度高出铀数千倍，LFP依然在6小时内去除97.1%铀（容量78.5 mg g⁻¹）。对多种常见干扰离子的选择性测试表明，该体系对钒酸根等传统吸附剂难处理的离子依旧保持高选择性。作者进一步搭建了批处理式工业验证装置（图5f），搅拌与真空过滤结合，实现了50升规模废水处理，平均去除率达96%。回收的铀经酸化、沉淀、焙烧等步骤最终获得高纯度U₃O₈（99.75 wt%）（图5g），完全满足核燃料生产标准。经济分析显示，按当前性能，生产1 kg铀的原料成本仅约12.1美元，远低于市场价格（约160.79美元/kg），且能耗显著低于传统电化学法，具备商业化潜力。

图5：提取的铀的回收和LFP微电极吸附剂的可重复性

总结与展望

作者通过“电子缓冲”可充电微电极吸附剂，首次从根本上解决了电化学法处理中因电子–铀还原强耦合导致的离子阻塞问题，实现了电子转移与离子还原的精准匹配。该体系在高低浓度废水中均展现出前所未有的捕铀速率、容量与选择性，并成功完成从实验室到工业规模的跨越，产出的铀产品达到核级标准。这一策略不仅为核能行业的绿色可持续发展提供了有力技术支撑，也为从低浓度复杂废水中高效回收稀有金属和环境污染物提供了全新思路。未来，通过调控储电子材料的能级与表面催化特性，该方法有望拓展至更多金属离子乃至有机污染物的高效去除与资源化利用。

来源：高分子科学前沿

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