通过从水溶液和有机溶液体系中电沉积的方法，快速高效地制备铀层

《Applied Radiation and Isotopes》：Rapid and efficient preparation of uranium layers by electrodeposition from aqueous and organic solution systems

铀层制备方法对比研究。通过直流和脉冲电沉积在水和有机溶液中制备铀层，发现DCMP在DMF中铀沉积量最高达6.87 mg/cm2。Visual MINTEQ模拟表明pH>8时UO?(CO?)?^4?为主物种，循环伏安证实其还原为扩散控制的一电子过程。SEM显示水溶液沉积层均匀呈Frank-van der Merwe生长模式，DMF中呈岛状Volmer-Weber结构。XPS等分析证实水溶液沉积物为UO?和U?O?，DMF中为UO?和UO?(OH)?。

　　在现代科技发展中，铀基材料在多个领域扮演着关键角色，尤其是在医疗应用中，铀作为生产医用同位素钼-99（Mo-99）的重要基础。钼-99是生产锝-99m（Tc-99m）的关键前体，而锝-99m是目前临床诊断中使用最广泛的放射性药物之一，占据约80%的市场份额。钼-99主要通过铀-235（U-235）的裂变产物获得，而铀-235的富集程度直接影响了钼-99的生产效率和质量。因此，为了提高钼-99的产量并满足市场需求，研究人员开始探索使用低富集铀（LEU，U-235富集度低于20%）作为靶材的可行性。然而，由于LEU的铀含量仅为HEU（U-235富集度超过90%）的五分之一，若要达到相同的生产效果，需要增加铀的质量，这带来了诸多挑战，如溶剂用量增加、放射性废物量上升、靶材体积扩大等。为了解决这些问题，提高铀沉积层的密度和稳定性，成为了当前研究的重点。

在众多铀沉积方法中，电沉积和分子沉积（MP）技术因其在制备高密度铀层方面的优势而受到广泛关注。电沉积是一种利用电场驱动尿anyl离子（UO?2?）向阴极迁移并还原为固态沉积物的技术，而分子沉积则通过有机溶液中的铀化合物进行沉积，能够在较低的电流密度下实现较高的沉积效率。研究表明，分子沉积技术在制备铀薄膜方面具有显著优势，包括沉积层的均匀性、高纯度、以及对设备和工艺条件的灵活控制。同时，分子沉积技术还能够在较短时间内完成沉积过程，减少生产周期和能源消耗。

在本研究中，通过比较不同电沉积方法（包括直流电沉积和脉冲电沉积）在水溶液和有机溶液中的应用效果，发现直流电沉积在水溶液中能够制备出铀沉积层厚度达3.04 mg/cm2，而在DMF（N,N-二甲基甲酰胺）有机溶液中，通过直流分子沉积（DCMP）技术可以实现更高的沉积层厚度，达到6.87 mg/cm2。这些结果表明，选择合适的电解质和沉积方法对于提高铀沉积层的质量和性能至关重要。同时，通过模拟软件Visual MINTEQ的分析，研究人员确定了在pH值高于8的碳酸盐溶液中，铀的主要存在形式为UO?(CO?)???，其占总铀浓度的94%以上。这一发现为理解铀在不同溶液环境下的行为提供了重要的理论依据。

进一步的实验表明，使用循环伏安法（CV）可以明确UO?(CO?)???的单电子转移过程，确认其还原过程主要受扩散控制。这说明在电沉积过程中，控制电解液的浓度和pH值对于优化沉积层的形成具有重要意义。通过扫描电子显微镜（SEM）和能量色散光谱（EDS）的分析，研究人员发现水溶液中沉积的铀层在304不锈钢（304SS）电极表面均匀分布，符合层状生长（Frank-van der Merwe）模式，而DMF溶液中沉积的铀层则呈现岛状生长（Volmer-Weber）模式，表明沉积过程中的条件变化对材料结构产生了显著影响。

此外，X射线光电子能谱（XPS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）分析进一步揭示了不同溶液环境下铀的沉积形态。在水溶液中，铀主要以UO?和U?O?的形式沉积在304SS表面，而在DMF溶液中，铀则以UO?和UO?(OH)?的形式存在。这些不同的沉积形态不仅影响了铀层的物理性能，还可能对后续的化学处理和应用产生影响。

在实际应用中，铀沉积层的厚度和均匀性对于其作为核测量源和粒子加速器靶材的性能至关重要。目前，电沉积方法制备的铀层厚度通常在1 mg/cm2左右，存在沉积层内部应力高、容易开裂和脱落的问题。因此，深入研究电沉积过程中的关键参数（如温度、时间、电流密度、电解液浓度、溶液pH值等）对于优化铀层的性能具有重要意义。通过调整这些参数，可以提高铀沉积层的厚度和附着力，从而增强其在实际应用中的稳定性和可靠性。

脉冲电沉积技术作为一种较新的电沉积方法，自20世纪70年代发展以来，因其在提高沉积层质量方面的优势而受到关注。与直流电沉积相比，脉冲电沉积通过优化电源波形和控制沉积参数，能够显著提高电流效率，使沉积层结晶更加紧密，具有更高的纯度和均匀性，同时改善沉积层的表面平整度和致密性。因此，在本研究中，将脉冲电沉积方法与直流电沉积进行对比，以进一步探索其在制备高密度铀层方面的潜力。

通过实验，研究人员发现，脉冲电沉积在水溶液和有机溶液中均能有效提高铀沉积层的厚度和均匀性。特别是在DMF溶液中，脉冲分子沉积（Pulsed MP）技术能够实现更高的沉积效率，表明其在有机溶液中的应用前景更为广阔。同时，实验还表明，不同沉积方法对铀层的微观结构和化学组成产生了不同的影响，这些影响需要通过系统的研究来进一步理解。

综上所述，本研究通过比较不同电沉积方法在水溶液和有机溶液中的应用效果，揭示了铀沉积层的形成机制及其在不同条件下的性能变化。实验结果表明，直流电沉积和脉冲电沉积在水溶液中能够有效提高铀沉积层的厚度，而在有机溶液中，直流分子沉积和脉冲分子沉积技术则展现出更高的沉积效率。这些发现为未来铀沉积层的制备和优化提供了重要的参考，同时也为相关领域的应用拓展了新的可能性。通过进一步研究和优化，有望实现更高密度、更均匀、更稳定的铀沉积层，从而满足日益增长的医用同位素生产需求。