

MIT李巨团队今日AM：铀原位电解沉积与可重复使用的石墨烯泡沫电极！

邃瞳科学云

2021-08-05

导读：本文报道了一种从水溶液中提取铀的原位电解沉积方法，与报道的电化学提取方法相比，该工作的库仑效率和提取能力非常高。通过使用功能性石墨烯泡沫的电催化剂，可以有效地增加局部 pH 值，实现了 4560 mg

喜欢就点击蓝字关注我们吧，订阅更多最新消息

第一作者： Chao Wang

通讯作者： Chao Wang，李巨

通讯单位：麻省理工学院

DOI： https://doi.org/10.1002/adma.202102633

全文速览

核裂变产生的电能，占全球电力输出的 11%。而铀是裂变燃料和放射性废物的基本元素。因此，铀的回收具有重要意义。在这里，作者报道了一种从水溶液中提取铀的原位电解沉积方法。功能化还原氧化石墨烯泡沫 (3D-FrGOF) 用作工作电极，它既充当析氢反应催化剂，又充当铀沉积基材。 3D-FrGOF对U(VI)离子的比电解沉积容量为4560 mg g^-1（仍未达到饱和），库仑效率可达54%。此外，测试海水中的铀浓度从 3 ppm 降至 19.9 ppb，低于美国环境保护署对饮用水的铀限制浓度标准 (30 ppb)。此外，通过在具有反向偏压的2000 ppm 浓缩铀溶液中二次电解释放沉积铀，可以重新收集该电极。该电极可以有效地再生和循环至少九次，且不会出现太多的效率衰减。所有这些发现，为使用独立式 3D-FrGOF 电极作为水处理的先进分离技术开辟了新的机会。

背景介绍

核能是解决全球能源问题的已知解决方案，可提供高能量密度和低温室气体排放。全世界有442座核电站，还有60多座新的核电站正在建设中。大多数核裂变反应堆使用铀 (U) 作为裂变燃料。铀在放射性副产品和乏核燃料中也占很大比例。根据环境保护署 (EPA) 的说法，使用铀浓度高于 0.03 mg L^-1 (30 ppb) 的饮用水会导致严重的健康影响，例如肾损伤、癌症风险和神经行为变化。因此，从采矿和受污染的水溶液中有效提取铀，对环境和公共健康以及铀资源的再利用至关重要。

目前，业界已经开发出多种方法来从采矿和受污染的水中提取铀。离子交换是最广泛使用的去除铀的技术。离子交换树脂的缺点是选择性差、吸附能力低、铀酰离子去除不完全以及废离子交换树脂的处理问题。此外，包括反渗透和纳滤在内的膜法已被用于去除铀，其中铀化合物的尺寸比膜的孔大。这种方法虽然是有效的，但价格昂贵，而且大多数膜不可重复使用。对于大型水处理厂，可采用明矾混凝法和石灰软化法。然而，这两种方法的去除效率低，并且需要在强碱性条件下工作。电化学沉积法已经被报道是提取铀的有效方法。但是它们的库仑效率需要进一步提高，并且没有证明可以应用到高浓度处理中。此外，开发高效且可重复使用的铀沉积电极也将是有利的。

图文解析

图 1. a,b) 铀的电解沉积过程示意图。 c-e) 3D-FrGOF 表面和内部的照片和 SEM 图像。 f,g) 3D-FrGOF 和 3D-rGOF 的拉曼和 FTIR 光谱。 h) 3D-FrGOF 电极和不锈钢支架在空白溶液中的极化曲线，扫描速率为 5 mV s^-1。 i) 3D-FrGOF 电极和不锈钢支架在 100 mg L^-1 铀溶液中的 CV 曲线。

图 2. 不同条件下的萃取性能：a) 100 mg L^-1 铀中， pH 值的影响。 b) 50 mg L^-1 铀中，施加电压的影响。 c) 100 mg L^-1 时，萃取性能随时间的影响。 d) 铀浓度的影响。 e) 铀提取在 50 mg L^-1 时的循环性能。

图 3. a) 用空白 3D-rGOF 和 3D-FrGOF 提取前后，铀污染溶液的照片以及铀提取后 3D-FrGOF 的照片。 b) 铀沉积后 3D-FrGOF 电极的 SEM 图像。 c) 超声处理后沉积物的 SEM，d) 3D-FrGOF 表面的 SEM，以及 e,f) 铀 (e) 和氧 (f) 的相应元素 EDX mapping图像。

图 4. a) 铀沉积后 3D-FrGOF 中 U 4f 的高分辨率 XPS 光谱。 b) 铀沉积物和标准 UO₂(NO₃)₂ 的 XANES 光谱。铀沉积后 3D-FrGOF 电极的c) 拉曼和 d) FTIR 光谱。

图 5. a) 铀提取后 3D-FrGOF 电极的 XRD 和计算的标准 XRD。 b) 计算的铀沉积物的原子结构。 c) 铀沉积物的 TEM 图像。 d) 铀沉积物的 SAED 图案以及对应晶面的标识。

总结与展望

目前，大多数铀提取研究集中在化学和物理吸附上。但是，也有少量文章研究了电化学提取，其中大部分沉积在负电位的铝和镍电极上。与报道的电化学提取方法相比，该工作的库仑效率（高达 54%）和提取能力非常高。通过使用功能性石墨烯泡沫的电催化剂，可以有效地增加局部 pH 值，实现了 4560 mg g^-1 的容量，且仍不饱和。此外，3D-FrGOF 电极成功地从海水中去除铀，使其低于 EPA 饮用水铀限值 (30 ppb)。

作者使用水热法合成了掺有硫和氮的 3D-FrGOF 电极。官能团在电解沉积中起着至关重要的作用，与空白 rGOF 相比，提取能力要高得多。此外，铀可以有效地从使用过的电极中释放到超高铀浓度的二次浴槽中，该浓度比工业污水浓度 (50 ppm) 高 40 倍，为 2000 ppm，且可以持续 7 个循环。在九次电吸附/解吸循环后，提取能力和效率的损失不超过 15%。通过DFT计算，作者计算出固体沉积物的结构，显示出准二维UO₂(OH)₂层状晶体结构。上述结果表明，一种廉价且可持续的 3D-FrGOF 电极可用于在受污染的水、核流出物、核废料清理中原位去除铀。它为使用功能性石墨烯泡沫电极作为核废料处理的新平台和环境修复领域开辟了新的方向。