双转化通路协同增效：W18O49/PPy复合材料高效电化学提取铀的新策略

《Nature Communications》：Dual conversion pathways for efficient electrochemical extraction of uranium

本研究针对电化学提取铀（EEU）过程中铀物种转化路径单一、动力学缓慢的瓶颈问题，开发了具有有机-无机异质结的W18O49/PPy复合材料。通过构建内置电场（BEF）加速铀吸附还原，同时利用PPy催化2e--ORR产生H2O2，形成(UO2)O2·2H2O沉淀的第二转化路径。该材料在真实地下水中16.7小时提取15.75 mg铀，最大提取容量达3104.25 mg g-1，为放射性废水治理和资源回收提供了新思路。

　　

随着全球能源结构向清洁低碳转型，核能作为高能量密度的低碳能源备受关注。然而铀矿开采和核燃料循环过程中产生的含铀废水渗入地下水系统，对生态环境和人体健康构成严重威胁。传统物理吸附法存在库仑排斥效应和热力学平衡限制，而现有电化学提取技术虽能通过还原反应将UO₂²⁺转化为电中性产物，但仍面临转化动力学缓慢、循环性能差和提取容量有限等挑战。究其根源，铀物种在电极表面的单一路径转化效率不足成为制约其实际应用的瓶颈。

针对这一难题，北京化工大学和东莞工业大学联合研究团队在《Nature Communications》发表最新研究成果，设计出具有海胆状结构的W₁₈O₄₉/PPy（钨氧化物/聚吡咯）复合材料，通过构建双转化通路实现了铀的高效电化学提取。该工作创新性地将电化学还原与过氧化氢沉淀两种机制耦合，为放射性废水治理提供了新范式。

研究团队主要采用水热合成与原位聚合法构建异质结材料，通过旋转环盘电极（RRDE）技术评估2e^--ORR选择性，结合原位紫外-可见吸收光谱监测H₂O₂生成动力学。采用混合电容去离子（HCDI）模块评估实际地下水中的铀提取性能，并借助扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）和准原位X射线衍射（XRD）等技术解析铀物种转化路径。

Construction of urchin-like W₁₈O₄₉/PPy nanoflower

通过水热法合成海胆状W₁₈O₄₉纳米线，再利用静电作用使吡咯单体在其表面原位聚合形成核壳结构。表征显示复合材料具有明显的异质界面，PPy负载量达48.13 wt%，且引入PPy后材料氧空位浓度显著提升，电导率从5.87×10^-4S cm^-1提高至0.43 S cm^-1。

Built-in electric field accelerates U adsorption and electroreduction

莫特-肖特基测试证实W₁₈O₄₉（n型）与PPy（p型）形成p-n异质结，产生由PPy指向W₁₈O₄₉的内建电场（BEF）。密度泛函理论（DFT）计算表明BEF诱导界面电荷重排，使W-O-H基团对UO₂²⁺的吸附能从-2.98 eV增强至-4.38 eV，线性扫描伏安（LSV）曲线显示复合材料在含铀电解液中还原电流显著提高。

Electrocatalytic production H₂O₂pathway for extraction of U

原位紫外-可见光谱证实W₁₈O₄₉/PPy在0.1 M K₂SO₄中能稳定产生H₂O₂，RRDE测试显示其2e^--ORR选择性超过70%。在含氧环境中，H₂O₂与UO₂²⁺反应生成(UO₂)O₂·2H₂O沉淀，双通路作用使铀提取速率达741.90 mg g^-1h^-1，较单一路径提升1.85倍。

Electrochemical uranium extraction

在HCDI模块中，W₁₈O₄₉/PPy电极在pH=5、1.2 V条件下对20 mg L^-1铀溶液的4小时提取容量达110.96 mg g^-1。在多金属共存体系中保持高选择性（铀提取容量为其他离子的2.08-15.75倍），在450 mg L^-1高浓度下最大提取容量达3104.25 mg g^-1。使用0.1 M HNO₃洗脱可实现99.95%的铀回收率，经历20次循环后仍保持稳定性能。

Exploration of the conversion pathway of uranium species

准原位XRD和原位拉曼光谱揭示了双通路转化机制：初始阶段生成UO_2.95等中间产物，随后被原位产生的H₂O₂氧化为(UO₂)O₂·2H₂O纳米棒。XPS能级位移证实铀物种经历"吸附-还原-氧化"的动态转化过程，EXAFS分析最终产物与标准(UO₂)O₂·2H₂O结构一致。

Uranium containing groundwater extraction experiment

在实际地下水（初始铀浓度0.022 mg L^-1）处理中，放大至20×30 cm²的电极在流动系统中16.7小时回收15.75 mg铀，最终通过洗脱-沉淀-煅烧工艺获得纯度98.86%的U₃O₈产品。测算显示每提取1 kg铀耗电38.1 kWh，成本约11.78美元，具备工程应用潜力。

该研究通过精准设计有机-无机异质结界面，成功构建了电化学还原与化学沉淀协同的双通路铀提取机制。W₁₈O₄₉/PPy复合材料不仅解决了单一路径动力学限制，其形成的(UO₂)O₂·2H₂O产物具有铀含量高、易纯化优势。在真实地下水处理中展示出的高效性、选择性和稳定性，为核能可持续发展中的铀资源循环提供了技术支撑，也为多相界面调控在环境催化领域的应用提供了新范式。