近期，我校朱廣山教授課題組針對海水提鈾現(xiàn)有的挑戰(zhàn)，設(shè)計了一種多孔芳香骨架（PAFs）電極材料，獲得的電極材料在電場作用下可以快速、高容量、選擇性地從海水中提取鈾。相關(guān)研究發(fā)表在美國化學會旗艦期刊《ACS Central Science》上（Self-Standing Porous Aromatic Framework Electrodes for Efficient Electrochemical Uranium Extraction）。成果一經(jīng)發(fā)表，隨即引起了國內(nèi)外學術(shù)界和新聞媒體的廣泛關(guān)注，被大量轉(zhuǎn)發(fā)與報道。
圖1 多孔芳香骨架自支撐電極材料在電場輔助下提取鈾酰離子示意圖
核能作為未來取代化石燃料的低碳能源為經(jīng)濟和環(huán)境的綠色發(fā)展提供了重要支撐。鈾（U）是核反應的主要燃料，但陸地鈾礦資源儲量只夠維持未來幾十年的使用。海水中的鈾儲量估計是陸地鈾儲量的近1000倍。如果能夠有效的從海水中富集鈾元素能夠保證人類未來幾萬年的能源需求。電化學提鈾在近幾年得到了廣泛關(guān)注，然而對于電極材料的開發(fā)仍存在許多不足（以粉末形式存在且電極制備過程復雜）。該項研究針對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，通過簡單的電聚合方法策略構(gòu)筑了自支撐、無粘結(jié)、無金屬的多孔芳香骨架電極材料。通過對多孔芳香骨架材料結(jié)構(gòu)的調(diào)控和設(shè)計，電極材料兼具吸附位點、催化位點和豐富的傳質(zhì)通道。在半波交流電場的作用下，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，實現(xiàn)高效的鈾提取。相應的電化學提鈾速率是傳統(tǒng)物理吸附的近3倍，電化學提鈾能力在低平衡濃度（4.6 mg L-1）下可達到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。在真實海水測試中，鈾提取量可以達到12.6 mg g-1。該研究對于推動我國能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整和“雙碳”目標的達成具有重要意義。
圖2 PAFs電極材料在電場輔助下提取鈾酰離子的性能
該成果的通訊作者是化學學院朱廣山教授和趙銳副教授，第一作者是化學學院博士生陳丁陽。相關(guān)工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、吉林省科技廳項目等的支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acscentsci.3c01291
