Nature大子刊：铀备无患，看湖大杰青团队，如何从海水中提铀！

米测MeLab

2025-05-21

特别说明：本文由学研汇技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

原创丨爱吃带鱼的小分子

编辑丨风云

摘要：随着陆地铀矿资源的枯竭，海洋中丰富的铀资源正逐渐成为可选项。在此背景下，研究报道了一个低能耗、高萃取效率、高选择性双极电化学铀提取系统，即耦合电化学阴极直接还原铀和阳极间接铀还原，实现了超低槽压、宽铀浓度范围的铀萃取，且在实际海水水体中也展示出优异的铀选择性、稳定性以及成本优势。

研究背景

众所周知，铀矿是国家战略安全的重要保障，在核能发电、核武器、核医学、航天器核电池等领域发挥举足轻重的作用。但目前陆地铀资源仅能维持几十年，铀资源面临枯竭的困境。相比陆地贫乏的铀矿，海洋中储存着约45亿吨溶解铀资源，但海洋环境高背景离子、低铀（~3 ppb）环境限制了实际海洋铀萃取。

电化学技术不仅提供了氧化还原控制的平台，其还是强化吸附的理想载体，如CDI及其衍生的技术正在海水淡化等领域大放异彩。通过电化学吸附可以将海水中低浓度的铀离子吸附浓度在电极上。海水中铀离子相对于其他背景离子丰度是极低的，这就导致电化学提铀技术仍然面临低萃取效率、低选择性的困境。此外，在电化学提铀中通过仅实验阴极还原富集，阳极端通过ORR进行电子平衡，造成了电解反应的低能耗。

基于以上两点科学问题，湖南大学王双印教授、王燕勇副教授等开发了一种双极电化学提铀技术，简单来说就是把阳极也利用起来，构建成对电解体系，阴阳极协同提铀，达到增效降能的目的。相关结果以《Bipolar electrochemical uranium extraction from seawater with ultra-low cell voltage》为题发表在Nature sustainability上。

双极电化学成对还原体系的构建与验证

在构建成对电解反应中，毫无疑问阴极的电化学还原UO₂²⁺是毫无悬念的，因此，该团队首先把研究中心放在阳极半反应，这里是选择了纳米级零价铜（NZVC）作为工作电极作为阳极，通过循环伏安电化学表征验证了NZVC阳极可以与UO₂²⁺发生电子交换，同时降低阳极半反应的电势。进一步，合二为一将阴阳极耦合，以NZVC为阳极，钛片为阴极（图1C），在仅0.6 V电压下实现了阳极侧86.3%、阴极侧96.0%的提铀效率（图2）。

图1：常规和双极EUE方法的示意图

图 2：双极系统的电化学铀萃取

机制解析

进一步，该团队将中心转移到配对电解的机制解析中，通过常规表征（SEM、XRD、XPS）追踪阳极表面的Cu和U的丰富，发现随着施加电压，电极表面Cu(0/I)含量下降，Cu(II)含量上升，并伴有铀氧化物U(V)和U(VI)的沉积，证明了阳极端UO₂²⁺和低价Cu/I)之间的自发氧化还原反应，实现了阴阳极同步提铀。为了得到更直观的证据以及更细致证据与反应路线，随着研究团队利用原位或准原位表征技术（图3，原位拉曼、准原位XRD、准原位XPS、准原位XAS、原位EIS）进一步验证了阳极电化学的机制和路径（下式）。

图 3：阳、阴极反应机理解析

电化学提铀系统的性能

进一步，研究团队进行了不同电压、不同底物UO₂²⁺浓度的工况研究（图 4）。为了进一步实现工业化，这里团队使用商业泡沫铜替换了NZVC，进一步探索海水背景离子对提铀的干扰（图 5）。研究发现Cl⁻的存在显著增强了铀的提取。碳酸根对铀提取性能几乎没有影响。提高铀浓度提高到20 ppm反应效率依旧保持稳定。最后是对海水中常见的细菌和微生物进行了抗菌实验，排除了细菌的干扰。

图 4：双极电化学系统过程及其性能

图 5：不同溶液中铀的萃取性能

实际海水中的可重复使用性与经济可行性

研究团队使用实际海水进行了一个验证实现，在20 ppm的UO₂²⁺+海水体系中验证了体系的循环稳定性。为了评估海水阳离子离子（V、Co、Ni和Zn）的干扰，进行类似膜过滤的选择性实验，验证了高铀提取选择性与高效性。最后，对双极电化学系统的经济可行性进行了评估。该系统在天然海水中的能源消耗显著低于先前研究，表明了可观的经济型。

图 6：实际海水中铀的萃取性能

总结

针对两个关键科学问题，研究团队使用商用电极，开发了一个双极电化学还原系统，实现了低能、高效、高选择、可持续性、低成本海水提铀，研究也工作为其他高效资源回收系统（如：稀土元素回收）的设计提供了有价值的参考范例，后续研究将进一步进行电堆装置、电解系统、电化学流路的优化和研究。

参考文献：

Yanjing Wang et al. Bipolar electrochemical uranium extraction from seawater with ultra-low cell voltage. Nature Sustainability (2025).

https://www.nature.com/articles/s41893-025-01567-z#additional-information