表面硫酸化强化Fe(II)Fe(III)动态循环 | 在超低槽电压下实现高效铀资源回收

湖南大学电催化与电合成实验室

　　本文为湖南大学电催化与电合成实验室所作，第一作者为湖南大学博士研究生王燕静和宋明磊，通讯作者为湖南大学王燕勇副教授，文章发表于Environmental Science & Technology （Environ. Sci. Technol. 10.1021/acs.est.3c05133）

　　铀作为一种核工业发展不可或缺的重要战略资源，在海洋和铀矿开采的废水中含有丰富的铀资源，实现海水（3 ppb）或废水（5~50 ppm）中高效提取铀资源对核工业的发展具有重要战略意义。电化学法提铀因其吸附容量大和吸附速率快而显示出巨大的潜力，但其也面临着能耗高、选择性低等系列挑战。研究团队前期通过电化学介导Fe(II)/Fe(III)循环可以显著降低电化学法提铀的槽电压，但纳米还原铁（NRI）易失活和团聚的缺点，其应用受到限制，因此对铀的选择性和稳定性仍有待进一步提高。基于相关问题，本工作采用一步法合成了硫酸根修饰的纳米铁（S-NRI）实现了超低电压（-0.1 V）下优异的铀提取容量和速率，并表现出优异的循环稳定性。结合准原位X射线光电子能谱仪（XPS）和电化学原位拉曼等表征手段，揭示了M-SO42-基团和可再生Fe(II)位点分别是UO22+的主要吸附和反应位点。

图1. X射线光电子能谱仪（岛津-KRATOS公司，AXIS SUPRA）

图2. S-NRI提铀前后的SEM、TEM、HRTEM和EDS-mapping

　　XPS作为一种高灵敏超微量表面分析技术，能够对固体样品的元素成分进行定性、定量或半定量及价态分析，广泛地应用于材料元素分析、多相研究、化合物结构分析、元素价态分析。团队利用准原位XPS，结合电化学原位拉曼分析了催化剂、沉积的铀在反应过程中价态的变化。

图3. S-NRI电化学提铀过程中原位拉曼测试谱图和准原位XPS测试结果

　　通过准原位XPS分析和电化学原位拉曼，分析了电化学过程中催化剂和吸附铀的界面物种的动态演变过程，研究表明M-SO42-基团和可再生Fe(II)位点分别是UO22+的主要吸附位点和反应位点。

图4. 提铀机制解析

　　团队通过以S-NRI作为模型催化剂，进一步揭示提铀机制，相关结果表明：Fe(II)可以自发还原U(VI)形成Fe(III)和U(IV)，而生成的Fe(III)部分电还原为Fe(II)，说明Fe(II)的自发氧化和S-NRI表面的Fe(III)电还原达到了动态平衡，这有利于Fe(II)活性位点的持续再生，维持U(VI)的持续还原。而且Fe-SO42-和UO22+之间强烈的化学相互作用提高了铀酰离子的吸附效率，电化学法铀提取容量和去除率均高于物理化学吸附法，这说明电场促进了Fe(II)活性位点的持续再生和U(VI)的还原。

　　相关工作结合准原位XPS和相关电化学原位表征手段系统研究了Fe基催化剂在海水提铀过程中的构效关系。提出了电化学介导的、低能耗的铀离子提取新策略，利用界面电催化还原实现了铀离子的高效提取与资源化利用，该研究策略能够拓展到其它重金属污染物的回收体系中，为高效海水/废水金属污染物资源化利用提供了新的思路。

　　文献题目

　　《Strengthening Fe(II)/Fe(III) Dynamic Cycling by Surface Sulfation to Achieve Efficient Electrochemical Uranium Extraction at Ultralow Cell Voltage》

　　使用仪器

　　岛津AXIS SUPRA

　　作者

　　Yanjing Wang, Minglei Song, Jianrong Wei, Jie You, Siping Chen, Shuangyin Wang, and Yanyong Wang*

　　State Key Laboratory of Chem/Bio-Sensingand Chemometrics, College of Chemistry and ChemicalEngineering, Hunan University, Changsha, Hunan 410082, P.R. China;

　　State Key Laboratory of Chem/Bio-Sensingand Chemometrics, College of Chemistry and ChemicalEngineering, Hunan University, Changsha, Hunan 410082, P.R. China;

　　全文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.3c05133

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