北京
近日，北京化工大学邱介山教授团队和东莞理工学院王刚教授团队合作研发出一种具备双转化路径的电催化材料，该材料能够从含铀废水中高效提取回收极为珍贵的金属—铀，一次能提取超过材料自身重量三倍的铀。在 72 小时内，该材料可以去除含铀废水中 98.4% 铀，将铀浓度降至 0.022mg L⁻¹，符合国际饮用水标准（0.03mg L⁻¹）。模块化实验证实，在 17 小时内，能够从地下水中提取出了 15.75 毫克铀。
核能是支撑经济社会发展的重要基础能源。铀是核能发电的关键材料。但是，地球上容易开采的铀矿正变得越来越少，而含有微量铀的废水却很多，这不仅浪费资源还污染环境。该团队此次研发的电催化材料，是一种新型纳米功能材料，能够高效、快速、干净地从水里提取铀。
能够“两条腿走路”的双功能电催化材料
此次突破在于给该电催化剂材料设计了双重功能，赋予了其两条腿走路的本领。他们制造的这种特殊电催化材料，由两种材料巧妙耦合而成：一种是无机物氧化钨，另一种是有机物聚吡咯。氧化钨长成了海胆形状，而聚吡咯则像一层导电的果冻，均匀地包裹在海胆表面。
这种巧妙的复合结构，赋予了这种新型电催化材料以下两大能力：
第一个能力是内置电场“吸铁石”。氧化钨和聚吡咯结合后，它们之间会产生一个微小的内置电场。这个电场就像一个定向的电子滑梯，能让电子更顺畅地从聚吡咯流向氧化钨。结果就是，氧化钨表面变得更容易抓住并驯服带正电的铀离子，并将之快速电还原为铀固体产物。简单来说，它让电催化剂对于铀的吸引力更强、抓得更牢固，还原速率更快。
第二个能力是自产“沉淀剂”。聚吡咯本身有一个绝活：它可以充分利用水中的溶解氧，基于一种两电子氧还原反应过程，稳定地生产出过氧化氢，也就是我们消毒时使用的双氧水。这一点非常关键，因为过氧化氢遇到水中的铀离子，会立刻发生“点击化学”反应，生成一种名为过氧化铀的黄色固体沉淀。
这个反应在工业上本来就是用来提纯铀的成熟方法。这样一来，电极不仅能把铀离子吸过来，还能当场把它变成固体黄石沉淀在自己身上，彻底从水中分离出来。
这两条路径，即电场驱动的电化学还原和过氧化氢驱动的化学沉淀，有相辅相成的“双剑合璧”之功效，就像给电催化剂装上了双引擎，大大加快了从水中捞铀的速度和总量。
吸得多、吸得快、认得清、用得久
实验证明，这种双引擎电催化剂的表现令人叹服：
首先是吸得多，在实验测试过程中，它的最高提取容量达到了每克材料 3,104 毫克铀，是目前同类顶尖技术的将近两倍。
其次是吸得快，在含有氧气的水中，6 小时内就能清除超过 93% 的铀，效率比只有单引擎也就是无氧环境时高出将近一倍。
再次是认得清，即使水中有很多像钠、钙、镁这样的常见金属离子来捣乱，该电极材料依然可以精准地优先抓取铀，表现出优异的选择性。
最后是用得久，用稀酸轻轻一洗，附着在电催化剂材料上的小黄石就能被溶解回收，而电极材料本身结构坚固而稳定，可以重复使用至少 20 次，性能几乎没有衰减。
这意味着这种功能纳米电催化材料有广阔的应用前景。在铀矿开采、加工及尾矿处理过程中，使用这种技术可以高效地回收废水中的铀，既能减少放射性废物，又能回收宝贵资源实现循环利用。
如何从巨量海水中经济高效地提取铀是一个长期挑战，邱介山教授和王刚教授团队研发的这项高效、低能耗的技术，为未来开发海洋铀资源提供了新的思路。而将其用于治理受到铀污染的地下水，则能保障用水安全和生态健康。
谈及未来计划，邱介山教授告诉 DeepTech：“我们团队将与国内外一流的研究机构和学者密切合作，利用原位的先进表征手段，深入揭示这类功能电催化材料的本征构效关系及铀物种的传输和演变机制，进一步优化材料的设计，提升材料的提铀性能。”
采访中，他还展望了功能材料特别是功能碳材料在气体分离、储能、催化等领域的应用前景广阔，尤其是在国家急需的高性能储能材料与器件、海水淡化、水电解制氢耦合精细化学品智造等方面的应用，在这些领域，功能碳材料因其独特的结构与性质，将发挥关键作用。
参考资料：
相关论文 https://www.nature.com/articles/s41467-025-65932-4
运营/排版：何晨龙
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