For nylig udviklede et samarbejdende forskerhold ledet af professor Qiu Jieshan ved Beijing University of Chemical Technology og professor Wang Gang ved Dongguan University of Technology et elektrokatalytisk materiale med en dobbelt konverteringsvej. Dette materiale kan effektivt udvinde og genvinde det ekstremt værdifulde metaluran fra uran-holdigt spildevand og udvinde mere end tre gange sin egen vægt i en enkelt ekstraktion.
Inden for 72 timer kan materialet fjerne 98,4 % af uran fra uran-holdigt spildevand, hvilket reducerer urankoncentrationen til 0,022 mg L⁻¹, hvilket opfylder internationale drikkevandsstandarder (0,03 mg L⁻¹). Modulære eksperimenter bekræftede, at 15,75 mg uran kunne udvindes fra grundvandet inden for 17 timer.
Atomenergi er en afgørende energikilde, der understøtter økonomisk og social udvikling. Uran er et nøglemateriale til atomkraftproduktion. Men let udvindede uranforekomster på Jorden bliver stadig mere sparsomme, mens spildevand, der indeholder spormængder af uran, er rigeligt, spilder ressourcer og forurener miljøet. Det elektrokatalytiske materiale udviklet af dette hold er en ny type nanomateriale, der effektivt, hurtigt og rent kan udvinde uran fra vand.
(Kilde: https://www.nature.com/articles/s41467-025-65932-4)
01 Et bifunktionelt elektrokatalytisk materiale, der er i stand til at "gå på to ben"
Dette gennembrud ligger i at designe en dobbelt funktion for dette elektrokatalytiske materiale, hvilket giver det evnen til at "gå på to ben."
Dette specielle elektrokatalytiske materiale, de skabte, er genialt koblet fra to materialer: det uorganiske wolframoxid og det organiske polypyrrol.
Wolframoxidet vokser til en søpindsvin-form, mens polypyrrolen, som et lag af ledende gelé, er jævnt belagt på overfladen af søpindsvin.
Denne geniale kompositstruktur giver dette nye elektrokatalytiske materiale følgende to hovedegenskaber:
Den første evne er et indre elektrisk felt "magnet".
Efter at wolframoxid og polypyrrol er kombineret, genereres et lille indre elektrisk felt mellem dem. Dette elektriske felt fungerer som et retningsbestemt elektronglidning, der tillader elektroner at flyde mere jævnt fra polypyrrol til wolframoxid.
Som et resultat bliver overfladen af wolframoxid dygtigere til at fange og tæmme positivt ladede uranioner, hvorved de hurtigt elektroreduceres tilbage til fast uran. Kort sagt gør det elektrokatalysatoren mere attraktiv for uran, holder den mere fast og reduktionshastigheden hurtigere.
Den anden mulighed er egen-produktion af et "udfældningsmiddel".
Polypyrrol i sig selv har en unik evne: den kan fuldt ud udnytte opløst oxygen i vand og stabilt producere hydrogenperoxid-det samme hydrogenperoxid, der bruges til desinfektion-baseret på en to-elektron oxygenreduktionsreaktion.
Dette er afgørende, fordi hydrogenperoxid, når den støder på uranioner i vand, straks gennemgår en "klikkemi"-reaktion, der genererer et gult fast bundfald kaldet uraniumperoxid.
Denne reaktion er en vel-etableret industriel metode til uranrensning. På denne måde tiltrækker elektroden ikke kun uraniumioner, men udfælder dem også øjeblikkeligt som et fast gult bundfald på sig selv, og adskiller dem fuldstændigt fra vandet.
Disse to veje-elektrisk felt-drevet elektrokemisk reduktion og hydrogenperoxid-drevet kemisk udfældning-har en synergistisk effekt, som at udstyre elektrokatalysatoren med en dobbeltmotor, hvilket i høj grad accelererer hastigheden og den samlede mængde uran, der udvindes fra vand.
(Kilde: https://www.nature.com/articles/s41467-025-65932-4)
02 Høj ekstraktion, hurtig ekstraktion, klar genkendelse, lang-varig brug
Eksperimenter har bevist den imponerende ydeevne af denne dobbelte-motorelektrokatalysator:
For det første udvinder det en stor mængde. Under eksperimentel test nåede dens højeste udvindingskapacitet 3.104 milligram uran per gram materiale, næsten det dobbelte af nuværende førende teknologier.
For det andet trækker det hurtigt ud. I iltrigt vand kan det fjerne over 93 % af uranet inden for 6 timer, næsten dobbelt så effektivt som i et enkelt-motor, iltfrit-miljø.
For det andet udviser den fremragende selektivitet; selv med tilstedeværelsen af almindelige metalioner som natrium, calcium og magnesium i vandet, kan elektrodematerialet stadig præcist og fortrinsvis opfange uran.
Endelig kan den prale af lang levetid. En skånsom vask med fortyndet syre opløser og genvinder de små gule sten, der klæber til elektrokatalysatormaterialet. Selve elektrodematerialet er robust og stabilt, hvilket giver mulighed for mindst 20 genbrug uden praktisk talt nogen forringelse af ydeevnen.
Det betyder, at dette funktionelle nano-elektrokatalysatormateriale har brede anvendelsesmuligheder. Ved uranudvinding, -bearbejdning og -affaldsbehandling kan denne teknologi effektivt genvinde uran fra spildevand, reducere radioaktivt affald og genbruge værdifulde ressourcer.
Hvordan man økonomisk og effektivt kan udvinde uran fra enorme mængder havvand har været en-udfordring længe. Den effektive,-lavenergiteknologi udviklet af professor Qiu Jieshan og professor Wang Gangs team giver en ny tilgang til fremtidig udvikling af marine uranressourcer.
Desuden kan dets anvendelse til behandling af uran-forurenet grundvand sikre vandsikkerhed og økologisk sundhed.
(Kilde: https://www.nature.com/articles/s41467-025-65932-4)
Med hensyn til fremtidsplaner sagde professor Qiu Jieshan til DeepTech: "Vores team vil samarbejde tæt med-lederforskningsinstitutioner og forskere både nationalt og internationalt, ved at bruge avancerede in-situ karakteriseringsteknikker til dybt at afsløre den iboende struktur-aktivitetsforhold mellem disse funktionelle elektrokatalytiske materialer og transport- og optimeringsmekanismer for disse funktionelle elektrokatalytiske materialer og transportmekanismer. materialedesign og forbedring af uranudvindingsydelse."
I interviewet forestillede han sig også de brede anvendelsesmuligheder for funktionelle materialer, især funktionelle kulstofmaterialer, i gasseparation, energilagring og katalyse, især i applikationer, der er presserende behov for af nationen, såsom højtydende energilagringsmaterialer og -enheder, havvandsafsaltning og vandelektrolyse til brintproduktion kombineret med intelligent kemisk fremstilling. På disse områder vil funktionelle kulstofmaterialer på grund af deres unikke struktur og egenskaber spille en afgørende rolle.