近期，我校朱廣山教授課題組針對(duì)海水提鈾現(xiàn)有的挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)了一種多孔芳香骨架（PAFs）電極材料，獲得的電極材料在電場(chǎng)作用下可以快速、高容量、選擇性地從海水中提取鈾。相關(guān)研究發(fā)表在美國(guó)化學(xué)會(huì)旗艦期刊《ACS Central Science》上（Self-Standing Porous Aromatic Framework Electrodes for Efficient Electrochemical Uranium Extraction）。成果一經(jīng)發(fā)表，隨即引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和新聞媒體的廣泛關(guān)注，被大量轉(zhuǎn)發(fā)與報(bào)道。
圖1 多孔芳香骨架自支撐電極材料在電場(chǎng)輔助下提取鈾酰離子示意圖
核能作為未來(lái)取代化石燃料的低碳能源為經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的綠色發(fā)展提供了重要支撐。鈾（U）是核反應(yīng)的主要燃料，但陸地鈾礦資源儲(chǔ)量只夠維持未來(lái)幾十年的使用。海水中的鈾儲(chǔ)量估計(jì)是陸地鈾儲(chǔ)量的近1000倍。如果能夠有效的從海水中富集鈾元素能夠保證人類(lèi)未來(lái)幾萬(wàn)年的能源需求。電化學(xué)提鈾在近幾年得到了廣泛關(guān)注，然而對(duì)于電極材料的開(kāi)發(fā)仍存在許多不足（以粉末形式存在且電極制備過(guò)程復(fù)雜）。該項(xiàng)研究針對(duì)海水提鈾存在的挑戰(zhàn)（海水中U濃度極低且存在大量的干擾離子），以商用碳纖維為基底，通過(guò)簡(jiǎn)單的電聚合方法策略構(gòu)筑了自支撐、無(wú)粘結(jié)、無(wú)金屬的多孔芳香骨架電極材料。通過(guò)對(duì)多孔芳香骨架材料結(jié)構(gòu)的調(diào)控和設(shè)計(jì)，電極材料兼具吸附位點(diǎn)、催化位點(diǎn)和豐富的傳質(zhì)通道。在半波交流電場(chǎng)的作用下，多孔芳香骨架電極材料不僅可以電吸附鈾酰離子，還可以將捕獲的鈾酰離子轉(zhuǎn)變?yōu)椴蝗艿拟櫝练e物，實(shí)現(xiàn)高效的鈾提取。相應(yīng)的電化學(xué)提鈾速率是傳統(tǒng)物理吸附的近3倍，電化學(xué)提鈾能力在低平衡濃度（4.6 mg L-1）下可達(dá)到1413.9 mg g-1，并且在共存離子干擾下鈾的去除率依然保持良好。在真實(shí)海水測(cè)試中，鈾提取量可以達(dá)到12.6 mg g-1。該研究對(duì)于推動(dòng)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整和“雙碳”目標(biāo)的達(dá)成具有重要意義。
圖2 PAFs電極材料在電場(chǎng)輔助下提取鈾酰離子的性能
該成果的通訊作者是化學(xué)學(xué)院朱廣山教授和趙銳副教授，第一作者是化學(xué)學(xué)院博士生陳丁陽(yáng)。相關(guān)工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、吉林省科技廳項(xiàng)目等的支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acscentsci.3c01291
