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（岛津-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-so42-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) dynamic cycling by surface sulfation to achieve efficient electrochemical uranium extraction at ultralow cell voltage》
使用仪器
岛津axis supra
作者
yanjing wang,mingleisong,jianrongwei, jie you,sipingchen,shuangyinwang, and yanyong wang*
state key laboratory of chem/bio-sensingandchemometrics, college of chemistry andchemicalengineering, hunan university, changsha, hunan 410082, p.r.china;
state key laboratory of chem/bio-sensingandchemometrics, college of chemistry andchemicalengineering, hunan university, changsha, hunan 410082, p.r.china;
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