偕胺肟功能化MXene/CoZn-MOF异质结电极驱动流动电容去离子技术实现高效海水铀提取

针对海水铀资源提取效率低、选择性差等难题，中国科学院团队开发了偕胺肟功能化MXene/CoZn-MOF异质结电极(MMA)，通过流动电容去离子技术(FCDI)实现铀的高效捕获。该电极在1.2V电压下2小时内对500mg L-1铀溶液吸附量达2322.4mg g-1，海水淡化浓缩液(SDC)中铀吸附速率为1.43mg g-1 day-1，20次循环后仍保持90.5%效率，为核能可持续发展提供了创新解决方案。

　　

随着全球碳中和进程加速，核能因其高能量密度和零碳排放特性成为关键能源选项。铀作为核燃料主要来源，陆地矿石储量有限且开采污染严重，而海水中铀储量达陆地1000倍却面临浓度极低(3.3μg L^-1)、竞争离子干扰等挑战。传统吸附材料存在动力学缓慢、结合位点有限等问题，亟需开发新型提取技术。中国科学院团队在《Water Research》发表研究，通过构建偕胺肟功能化MXene/CoZn-MOF异质结电极(MMA)，结合流动电容去离子技术(FCDI)，实现了海水铀资源的高效可持续回收。

研究采用溶剂热法合成CoZn-MOF，通过静电自组装与MXene构建0D-2D异质结，再经偕胺肟功能化获得MMA电极。利用海水淡化浓缩液(SDC)的铀富集特性，设计了循环与非循环两种FCDI操作模式，结合密度泛函理论(DFT)和分子动力学模拟揭示吸附机制。

材料表征与机理
SEM显示MXene纳米片经离心剥离后表面平整，钴锌离子通过-O、-OH等官能团静电锚定。XPS证实MMA中Ti²⁺/Ti³⁺氧化还原对的存在，FTIR显示偕胺肟-C=N-OH特征峰，BET测试揭示分层多孔结构提供1250m² g^-1比表面积。DFT计算表明异质结界面电荷转移使功函数降低1.38eV，促进电子传递。

性能评估
在1.2V电压下，MMA对500mg L^-1铀溶液2小时去除率达95.6%，吸附容量突破2322.4mg g^-1，远超传统材料。SDC非循环模式中铀吸附速率为1.43mg g^-1 day^-1，20次循环后效率仅衰减9.5%。选择性实验显示MMA对UO₂²⁺的分配系数(K_d)达1.2×10⁵ mL g^-1，在Na⁺/K⁺/Ca²⁺/Mg²⁺共存环境下仍保持优异性能。

机制解析
分子动力学模拟揭示UO₂²⁺与偕胺肟的配位距离为2.15?，结合能-4.32eV强于其他离子。原位拉曼显示电场作用下U-O键振动峰红移，证实外加电势削弱了U=O键能。XANES谱证明吸附后铀价态保持+6价，排除了还原机制主导的可能性。

该研究通过材料设计与工艺创新，将FCDI技术与功能化电极相结合，实现了海水铀提取效率的突破。MMA电极兼具高导电性、大比表面积和特异性结合位点，为核燃料可持续供应提供了新思路，同时推动高盐废水资源化利用。研究揭示的电场增强配位机制，为其他战略金属回收技术开发提供了重要参考。