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
2023/08/31
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（云顶国际-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-S💦O42-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) Dynami🅰c Cycling by Surface Sulfation to Achieve Efficient Electrochemical Uranium Extraction at Ultralow Cell Voltage》
使用仪器
云顶国际AXIS SUPRA
作者
Yanjing Wan🦂g, Minglei Song, Jianrong Wei, Jie You, Siping Chen, Shuangyin Wang, and𝔉 Yanyong Wang*
State Key Laboratory of Chem/Bio-Sensingand Chemomet൩rics, 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：//pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.3c05133
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