科研部

王刚教授团队在《Nature Communications》发表电化学铀提取最新研究成果

2025.12.15 科研部

近日，我校生态环境与建筑工程学院王刚教授研究团队与北京化工大学长江/杰青邱介山教授合作在电化学铀提取方向取得重要研究进展，东莞理工学院为第二完成单位（第一通讯单位）。相关成果以“Dual conversion pathways for efficient electrochemical extraction of uranium”为题在《Nature Communications》上发表。王刚教授作为省应急技术重点实验成员主导水体放射性铀污染应急相关研究，本校主要参与研究人员有汪仕勇副研究员以及生态环境研究工程中心的李长平教授、王玉伟副研究员。第一作者为本校联培博士研究生赵霖。自2020年以来，赵霖在王刚教授指导下从事铀污染治理相关研究，以第一作者身份在《Nature Communications》《ACS Nano》等国际一区期刊上发表论文6篇。

随着全球“双碳”进程加速，核电因其高能量密度和低碳排被寄予厚望，但铀矿开采与冶炼过程产生的含铀废水一旦进入地下水，会在天然弱碱性及富氧条件下形成迁移性极强的 UO₂²⁺，造成“看不见”的长期放射性污染。传统吸附或化学沉淀法受限于分配系数低、二次污染及渣量大，难以在 ppm 级甚至ppb级浓度经济高效地把铀“捞”回来。电化学提取（EEU）借助电极电位调控，可把带电的铀酰离子原位“电还原”为固态铀氧化物，理论上跳过吸附平衡瓶颈，成为近五年环境电化学与核素分离交叉领域的新热点。然而，单一还原路径面临“还原—再氧化—再溶解”的循环困局：产物 UO₂ 在天然水体中容易被溶解氧或 H₂O₂ 重新氧化，导致容量衰减快、电流效率低，成为制约其走出实验室的“卡脖子”难题。如何在水系条件下同步提高铀的固定速率并锁定产物稳定性，是环境功能材料与电化学界面设计共同面临的挑战。

本研究跳出了“只靠电子还原”的思维定势，把工业上用于铀精炼的“过氧沉淀”反应搬进电极界面，构建了一条“电还原+电催化产 H₂O₂ 沉淀”的双通道转换路线。以海胆状 W₁₈O₄₉ 为电子富集骨架，原位包覆导电聚吡咯（PPy）形成有机-无机异质结，借助内建电场加速 UO₂²⁺ 吸附与第一步还原；同时利用 PPy 的吡咯氮作为2e⁻-ORR催化活性位点，在电极表面持续“就地”生成 H₂O₂，与尚未还原的 UO₂²⁺ 快速耦合生成 (UO₂)O₂·2H₂O沉淀，给铀“双重上锁”。实验表明，该策略将铀提取容量从单一还原路径的 1200 mg g⁻¹ 提升到 3104 mg g⁻¹，16.7 小时即可从真实地下水中回收 15.75 mg 铀，出水铀浓度低于 0.03 mg L⁻¹（满足饮用水限值），且电极在 20 次循环后性能零衰减。这项工作为低浓度放射性铀的“绿色捞铀”提供了可扩展的电化学新范式，也为其他高价金属离子的选择性提取提供了界面反应路径设计的新思路。