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第一作者：陈斯喆

通讯作者：王晓君，朱嘉

通讯单位：南京大学

文章链接：

https://www.nature.com/articles/s44221-025-00471-2

导读

含铀废水的环境修复是核工业可持续发展的关键环节，兼具生态保护与资源回收的双重意义。然而，传统吸附法受限于缓慢的反应动力学，而新兴的电化学法又因电子注入与铀酰离子还原过程的直接耦合，易形成“离子阻隔层”，在低浓度废水中效率锐减。

针对上述挑战，南京大学王晓君研究员、朱嘉教授团队开发了一种具有电子缓冲功能的可充电微电极吸附剂系统。该系统通过“电子存储-铀提取-吸附剂再生”的三步循环，在时间和空间上将电子注入与铀还原过程“解耦”，从根本上避免了离子阻隔层的形成。该研究成果以“Electron-buffering rechargeable microelectrode adsorbents for rapid environmental remediation of uranium-containing wastewater”为题，于2025年8月8日在线发表于Nature Water。

研究背景

随着核能的快速发展，铀矿开采、燃料加工等环节产生的含铀废水对生态环境构成了潜在威胁。如何高效、快速地处理这些通常浓度极低（0.1-10 ppm）的废水，成为全球性难题。

目前主流的吸附法，依赖于官能团与铀酰离子的化学配位，其过程受热力学平衡控制，动力学响应缓慢，且在含有大量竞争阳离子的工业废水中选择性差、效率低。电化学法虽然通过电还原驱动反应，有望提升效率，但其固有缺陷在于“电子注入”与“离子还原”的同步耦合。在处理低浓度废水时，快速注入的电子远快于缓慢迁移的铀酰离子，导致电极表面电子过剩，吸引大量竞争阳离子电荷富集，形成“离子阻隔层”。该阻隔层产生的库仑斥力严重阻碍了目标铀酰离子的传质，使修复效率大打折扣。因此，开发一种能够打破动力学瓶颈、避免离子阻隔的新策略迫在眉睫。

图1：可充电微电极吸附剂的设计和循环过程

为攻克传统技术瓶颈，该研究开发了一种具有电子缓冲能力的可充电微电极吸附剂系统，其工作流程遵循“电子存储→铀提取→吸附剂再生”的三步循环。首先，微电极吸附剂在无竞争离子的洁净环境中预先储存电子；随后，在铀提取过程中受控地释放电子。这一设计巧妙地将电子注入和铀酰离子还原过程在时间和空间上解耦，从根本上规避了离子阻隔层的形成。同时，材料表面的Fe-O键作为高效活性位点，捕获铀酰离子并降低其还原势垒；而伴随电子消耗释放的平衡阳离子则持续维持表面电负性，以实现高效的传质。最终，吸附了铀的微电极通过快速洗脱回收铀，并再次充电再生，实现了闭环运行（图1）。

图2：微电极材料的设计与筛选

在核心吸附剂材料的设计与筛选中，研究团队系统评估了多种过渡金属氧化物的催化活性，发现铁基材料在含铀溶液中展现出最大的还原电流和最小的还原过电位（图2a, 2b）。CV曲线测试证实，相比于四氧化三铁，铁基磷酸盐材料具备优异的电子缓冲与可逆释放能力（图2c）。进一步分析发现，铁基磷酸盐材料的氧化电位与其催化铀酰离子还原的电位之间存在数百毫伏的势差，这为驱动铀酰离子的自发还原提供了充足的热力学动力（图2d）。此外，Zeta电位测试表明，铁基磷酸盐材料具有更强的表面电负性，有利于通过库仑引力捕获铀酰离子（图2e）。

图3：可充电微电极吸附剂的铀提取性能

新策略的优越性在铀提取性能测试中得到了充分验证。当微电极吸附剂加入初始浓度为1000 ppm的模拟含铀废水中，溶液标志性的亮黄色在6小时内显著褪去（图3a），同时扫描电镜图像显示其表面沉积了大量含铀纳米片层（图3b）。性能对比实验明确显示，得益于电子缓冲机制，三种铁基磷酸盐微电极的吸附速率和容量均遥遥领先于不具备电子缓冲能力的四氧化三铁（图3c, 3d）。其中，性能最优的磷酸铁锂（LFP）微电极初始提取速率高达1062 mg g⁻¹ h⁻¹，饱和吸附容量达854 mg g⁻¹，在不同初始浓度的废水中均表现出快速、高效的提取能力（图3e, 3f）。

图4：LFP 微电极的反应机理

为深入揭示“时空解耦”策略的内在机理，团队设计了精巧的“原电池”模拟装置，对微电极的反应过程进行解构分析。结果有力地证明了LFP微电极内部作为电子缓冲库、外部表面进行催化还原的协同机制（图4a, 4b, 4c）。Zeta电位测试表明，材料在放电过程中始终保持稳定的表面负电性，从而持续吸引铀酰离子（图4d）。通过定量分析发现，锂离子的释放与铀的还原严格遵循2:1的化学计量比，证实了电子在反应中被精准利用，利用率接近100%（图4e, 4f）。U 4f XPS和同步辐射表征则从原子层面确认了铀被还原的价态变化及其与表面活性位点的相互作用（图4g, 4h, 4i）。

图5：提取铀的回收与 LFP 微电极的重复利用

优异的性能之外，该系统的可重复利用性和实际应用潜力同样出色。实验表明，吸附饱和后的LFP微电极在环保的洗脱液中，30分钟内即可实现超过95%的铀回收（图5a）。再生后的LFP微电极，其结构和电化学活性几乎无衰减，吸附性能与初始状态保持一致（图5b, 5c）。在长达10次的连续“提取-洗脱-再生”循环测试中，系统性能始终保持稳定，展现了其工业应用的鲁棒性（图5d, 5e）。更进一步，团队搭建了中试规模的处理装置，成功处理了50升源自真实铀矿、浓度仅为0.545 ppm的废水，平均去除率高达96%，并最终获得了高纯度铀产物（图5f, 5g）。

总结与展望

该研究开发了一种创新的电子缓冲策略，通过设计可充电微电极吸附剂，成功实现了电子传递与铀酰离子还原过程的时空解耦，从根本上解决了传统电化学系统在处理低浓度废水时面临的离子阻挡难题。该微电极架构集电子缓冲、表面催化和阳离子平衡等多重协同效应于一体，实现了电子传递与铀还原的精准同步，显著提升了提取效率，初始速率达1062 mg g⁻¹ h⁻¹，容量为854 mg g⁻¹，且电子利用效率高达100%。通过对真实铀矿废水的提取，系统展示了其在0.545 ppm极低浓度下的高效去除能力，并成功回收了高纯度铀产品，验证了其应用潜力。

除铀提取外，该电子缓冲策略为低浓度污染物的去除提供了一个全新思路，即通过时空解耦分离电子注入与离子还原过程，以有效防止离子阻挡层的形成。这一传质效率的根本性提升，有望为解决其他稀废液的环境修复与资源回收挑战开辟新思路。

文章信息

Chen, S., Wang, X., Zheng, H., et al. Electron-buffering rechargeable microelectrode adsorbents for rapid environmental remediation of uranium-containing wastewater. Nat Water (2025). DOI: 10.1038/s44221-025-00471-2