高效耦合阴极沉积与4A分子筛吸附技术实现镧系元素分离及放射性熔盐回收

针对核废料干法后处理中镧系裂变产物选择性分离难题，中科院团队创新性提出电解-吸附联用策略。研究通过Ga阴极电位调控实现Er(III)选择性沉积（效率92.57%），结合4A分子筛高温吸附使总去除率达99.99%，突破传统电解工艺电流效率衰减瓶颈，为放射性熔盐(LiCl-KCl)循环利用提供关键技术支撑。

　　

随着全球能源结构转型加速，核能作为低碳高能量密度的清洁能源备受关注。然而核电站运行产生的乏燃料处理成为制约行业发展的"阿喀琉斯之踵"——传统水法后处理产生大量放射性废液，而新兴的干法处理虽能减少二次污染，却面临镧系元素（Ln）与锕系元素（An）分离效率低、熔盐回收困难等瓶颈。特别是在第四代钍基反应堆研发热潮中，如何实现高温熔盐体系中微量放射性元素的高效清除，成为影响核燃料闭式循环经济性的关键卡点。

中国科学院的研究团队在《Separation and Purification Technology》发表突破性成果，开创性地将电化学沉积与分子筛吸附技术"双剑合璧"。研究人员选取具有典型性的铒(Er)作为研究对象，通过系统的电化学测试揭示了其在Ga电极上的"合金介导"沉积机制，并首次将4A分子筛应用于高温熔盐净化。这种"电解-吸附"组合拳不仅实现了Er的单级去除率92.57%，更使最终净化效率飙升至99.99%，相当于将放射性残留降至原有水平的万分之一。

研究团队主要采用三电极体系循环伏安法(CV)解析电极过程动力学，结合方波伏安法(SWV)精确测定半波电位，并通过恒电位电解实现Er-Ga金属间化合物可控合成。针对实际多组分体系，创新性建立高温原位吸附装置，利用4A分子筛的分子识别特性实现熔盐深度净化。

【分析电化学过程】章节显示，在773K的LiCl-KCl熔盐中，Er(III)在钨电极上呈现典型的三步还原特征，还原峰位于-1.72V（vs. Ag/AgCl）。当采用液态Ga电极时，沉积电位正移0.34V，证实合金化过程显著降低反应能垒。通过计时电位法测定扩散系数为2.18×10^-5 cm²/s，为工艺优化提供关键参数。

【恒电位电解】实验表明，在-1.85V优化电位下，Er的沉积效率随时间呈现先升后降趋势，6小时达到峰值92.57%。值得注意的是，残余熔盐经4A分子筛（孔径4?）450°C处理4小时后，Er浓度从初始328ppm骤降至0.23ppm，验证了分子筛对Ln³⁺的特异性捕获能力。

【多组分体系验证】部分更展示该技术的普适性——在含Nd、Sm、Eu的模拟体系中，所有元素去除率均>93%，其中Eu的联合处理效率高达99.97%。X射线衍射证实电解产物为结晶良好的ErGa₃相，而吸附后分子筛的XPS谱显示明显的Er4d特征峰，阐明"先富集后固定"的协同机制。

这项研究的意义远超出技术参数本身：其一，液态Ga阴极与分子筛的联用策略，破解了传统电解工艺因极化导致的电流效率衰减困局（参见附图S1），使大规模处理成本降低约40%；其二，建立的熔盐净化标准（Ln³⁺<1ppm）为放射性废盐循环利用树立新标杆；其三，研发的模块化处理装置可直接集成到Pyroprocessing（高温处理）生产线，推动核燃料"开采-发电-后处理"全链条绿色化。正如通讯作者Yingcai Wang强调的，该技术有望使乏燃料处理成本从现行3000美元/公斤降至1800美元/公斤，为全球碳中和目标提供关键核能技术支持。