含鈾廢水的環(huán)境修復是核工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關鍵環(huán)節(jié)，兼具生態(tài)保護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動力學，而新興的電化學法又因電子注入與鈾酰離子還原過程的直接耦合，易形成“離子阻隔層”，在低濃度廢水中效率銳減。

針對上述挑戰(zhàn)，南京大學王曉君研究員、朱嘉教授團隊開發(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“電子存儲-鈾提取-吸附劑再生”的三步循環(huán)，在時間和空間上將電子注入與鈾還原過程“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，鈾礦開采、燃料加工等環(huán)節(jié)產(chǎn)生的含鈾廢水對生態(tài)環(huán)境構成了潛在威脅。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，依賴于官能團與鈾酰離子的化學配位，其過程受熱力學平衡控制，動力學響應緩慢，且在含有大量競爭陽離子的工業(yè)廢水中選擇性差、效率低。電化學法雖然通過電還原驅動反應，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，快速注入的電子遠快于緩慢遷移的鈾酰離子，導致電極表面電子過剩，吸引大量競爭陽離子電荷富集，形成“離子阻隔層”。該阻隔層產(chǎn)生的庫侖斥力嚴重阻礙了目標鈾酰離子的傳質，使修復效率大打折扣。因此，開發(fā)一種能夠打破動力學瓶頸、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計和循環(huán)過程

為攻克傳統(tǒng)技術瓶頸，該研究開發(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→鈾提取→吸附劑再生”的三步循環(huán)。首先，微電極吸附劑在無競爭離子的潔凈環(huán)境中預先儲存電子；隨后，在鈾提取過程中受控地釋放電子。這一設計巧妙地將電子注入和鈾酰離子還原過程在時間和空間上解耦，從根本上規(guī)避了離子阻隔層的形成。同時，材料表面的Fe-O鍵作為高效活性位點，捕獲鈾酰離子并降低其還原勢壘；而伴隨電子消耗釋放的平衡陽離子則持續(xù)維持表面電負性，以實現(xiàn)高效的傳質。最終，吸附了鈾的微電極通過快速洗脫回收鈾，并再次充電再生，實現(xiàn)了閉環(huán)運行（圖1）。

圖2：微電極材料的設計與篩選

在核心吸附劑材料的設計與篩選中，研究團隊系統(tǒng)評估了多種過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電位（圖2a,2b）。CV曲線測試證實，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)百毫伏的勢差，這為驅動鈾酰離子的自發(fā)還原提供了充足的熱力學動力（圖2d）。此外，Zeta電位測試表明，鐵基磷酸鹽材料具有更強的表面電負性，有利于通過庫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試中得到了充分驗證。當微電極吸附劑加入初始濃度為1000 ppm的模擬含鈾廢水中，溶液標志性的亮黃色在6小時內顯著褪去（圖3a），同時掃描電鏡圖像顯示其表面沉積了大量含鈾納米片層（圖3b）。性能對比實驗明確顯示，得益于電子緩沖機制，三種鐵基磷酸鹽微電極的吸附速率和容量均遙遙領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1062 mg g?1 h?1，飽和吸附容量達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微電極的反應機理

為深入揭示“時空解耦”策略的內在機理，團隊設計了精巧的“原電池”模擬裝置，對微電極的反應過程進行解構分析。結果有力地證明了LFP微電極內部作為電子緩沖庫、外部表面進行催化還原的協(xié)同機制（圖4a,4b,4c）。Zeta電位測試表明，材料在放電過程中始終保持穩(wěn)定的表面負電性，從而持續(xù)吸引鈾酰離子（圖4d）。通過定量分析發(fā)現(xiàn)，鋰離子的釋放與鈾的還原嚴格遵循2:1的化學計量比，證實了電子在反應中被精準利用，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了鈾被還原的價態(tài)變化及其與表面活性位點的相互作用（圖4g,4h,4i）。

圖5：提取鈾的回收與LFP微電極的重復利用

優(yōu)異的性能之外，該系統(tǒng)的可重復利用性和實際應用潛力同樣出色。實驗表明，吸附飽和后的LFP微電極在環(huán)保的洗脫液中，30分鐘內即可實現(xiàn)超過95%的鈾回收（圖5a）。再生后的LFP微電極，其結構和電化學活性幾乎無衰減，吸附性能與初始狀態(tài)保持一致（圖5b,5c）。在長達10次的連續(xù)“提取-洗脫-再生”循環(huán)測試中，系統(tǒng)性能始終保持穩(wěn)定，展現(xiàn)了其工業(yè)應用的魯棒性（圖5d,5e）。更進一步，團隊搭建了中試規(guī)模的處理裝置，成功處理了50升源自真實鈾礦、濃度僅為0.545 ppm的廢水，平均去除率高達96%，并最終獲得了高純度鈾產(chǎn)物（圖5f,5g）。

總結與展望

該研究開發(fā)了一種創(chuàng)新的電子緩沖策略，通過設計可充電微電極吸附劑，成功實現(xiàn)了電子傳遞與鈾酰離子還原過程的時空解耦，從根本上解決了傳統(tǒng)電化學系統(tǒng)在處理低濃度廢水時面臨的離子阻擋難題。該微電極架構集電子緩沖、表面催化和陽離子平衡等多重協(xié)同效應于一體，實現(xiàn)了電子傳遞與鈾還原的精準同步，顯著提升了提取效率，初始速率達1062 mg g?1 h?1，容量為854 mg g?1，且電子利用效率高達100%。通過對真實鈾礦廢水的提取，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，驗證了其應用潛力。

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全新思路，即通過時空解耦分離電子注入與離子還原過程，以有效防止離子阻擋層的形成。這一傳質效率的根本性提升，有望為解決其他稀廢液的環(huán)境修復與資源回收挑戰(zhàn)開辟新思路。