利用富含磺酸基的电极材料，在宽pH范围内高效从含铀废水中提取六价铀

《Environmental Research》：Efficient Extraction of U(Ⅵ) from Uranium-Containing Wastewater over a Wide pH Range Using Sulfonate-Rich Electrode Materials

　　

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  富含磺酸基团的PPy-SO3H电极实现了对耐酸六价铀(U(VI)的去除。
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  在2–8的宽pH范围内，该电极对U(VI)的吸附能力保持稳定。
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  U(VI)的吸附量达到了579.4 mg g^?1，拟合的最大吸附量qmax为667.4 mg g^?1。
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  磺酸基团促进了铀酰离子的富集、配位和还原反应。
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  经过10次循环后，仍实现了对U(VI)的选择性去除，并保留了87.1%的吸附能力。

引言

核能是全球最重要的清洁能源之一，在应对气候变化和确保能源安全方面发挥着不可替代的作用（Parsons等人，2019年；Zhang等人，2025年）。然而，包括铀矿开采、核燃料加工以及未经控制的核工业废水排放在内的人为活动导致了水体中的严重铀污染，对水生生态系统和人类健康构成了长期威胁（Xie等人，2019年；Yang等人，2026年；Keener等人，2020年）。在水环境中，六价铀[U(VI)]主要以铀酰离子(UO₂²⁺)的形式存在，这种离子具有高溶解度（He等人，2025年）、强迁移性（Bao等人，2026年）和显著的生物毒性（Gao等人，2019年）。长期接触U(VI)可引起放射损伤和基因损害（Adebiyi等人，2021年），因此从受污染的水中有效去除U(VI)是铀 Pollution治理中的一个关键挑战。

迄今为止，已经开发出了多种处理含铀废水的技术，包括吸附（Peng等人，2024年）、溶剂萃取（Beltrami等人，2014年）、化学沉淀（Jin等人，2026年；Su等人，2026年）和离子交换（Li等人，2016年）。其中，基于导电电极材料的电化学辅助吸附（电吸附）引起了广泛的研究兴趣（Wang等人，2025年；Zhao等人，2026年）。通过施加外部电场，铀酰离子被定向迁移到电极表面，在那里发生配位和还原反应并被固定。这种方法具有操作简便、处理效率高、二次污染少以及通过电压反转实现材料快速再生的优点（Wang等人，2025年）。

然而，实际的含铀废水来源多样，pH值波动范围广。特别是酸性矿山排水和核工业废水，其pH值常常低至2–4，这对电极材料的pH适应性提出了严格要求（Johnson等人，2005年）。在酸性条件下，常用的表面官能团（如羧基，pKa约为4–5）会发生质子化，导致活性位点被H⁺占据，从而显著降低对铀酰离子的配位能力，进而大大降低吸附性能（Xie等人，2019年；Loiseau等人，2014年）。同时，在强酸性介质中，氢 evolution 反应（HER）的竞争性显著增强，大量电子被用于H⁺的还原，从而导致铀酰离子的有效电化学还原窗口变窄，进一步限制了整体的电化学去除效率（Shih等人，2022年；Huang等人，2022年）。因此，开发能够在宽pH范围内（尤其是在强酸性条件下）稳定高效捕获铀酰离子的电极材料仍然是电化学去除铀领域的核心瓶颈。

为了解决这一挑战，引入具有强酸性的磺酸基团（–SO₃H）是一种非常有前景的策略。由于磺酸基团的pKa值极低（大约为?1至1），它们在宽pH范围（pH 1–8）内保持去质子化状态（–SO₃^-），持续提供高密度的负电荷位点，能够通过静电吸引和配位作用有效捕获铀酰离子（Jiao等人，2023年；Guo等人，2025年；Mi等人，2026年）。之前的研究表明，磺酸基团可以与铀酰离子形成稳定的四齿配位结构，从而对UO₂²⁺具有很强的选择性，并能有效抵抗Zn²⁺和Sr²⁺等竞争离子的干扰（Jiao等人，2023年）。4,4′-二氨基 stilbene-2,2′-二磺酸（DSDA）是一种同时含有磺酸基团和氨基基团的双功能分子。氨基官能团可以通过酰胺化反应与羧基化的聚吡咯（PPy-COOH）发生共价结合，从而在电极表面定向和高密度地接枝磺酸基团（Johnson等人，2005年；Loiseau等人，2014年）。这种策略不仅在电极表面构建了高密度的磺酸活性位点阵列，还利用了DSDA主链和导电PPy网络之间的协同效应，进一步增强了材料的电化学性能（Loiseau等人，2014年；Guo等人，2015年）。

在这项工作中，使用PPy-COOH作为基底，并通过EDC/NHS介导的酰胺化反应将其与聚吡咯链共价接枝，制备了一种新型的富含磺酸基团的复合电极材料PPy-SO₃H。系统研究了PPy-SO₃H在宽pH范围内对U(VI)的电化学吸附性能、选择性和循环稳定性。通过电化学表征、光谱分析和DFT理论计算，阐明了铀酰去除的机理。本研究旨在为在宽pH条件下高效治理复杂含铀废水提供新的策略和材料支持。

章节片段

PPy-COOH的制备

将60毫克的Py-COOH溶解在30毫升去离子水中，剧烈搅拌至获得均匀溶液。在标准的三电极体系中进行电聚合，其中碳纸作为工作电极，铂片作为对电极，SCE电极作为参比电极。施加恒定电位+2 V，持续30分钟，将PPy-COOH沉积在碳纸表面。之后彻底冲洗电极。

结果与讨论

通过扫描电子显微镜（SEM）观察了沉积在碳纸上的PPy-COOH和PPy-SO₃H的表面形貌。如图2(A)–(C)所示，两种聚合物涂层在原本光滑的碳纤维上均匀且密集地分布，证实了在碳纸基底上的电聚合成功。润湿性测量显示，PPy-SO₃H的水接触角（15.5°）明显低于PPy-COOH（29.5°），表明

结论

在这项工作中，通过将DSDA共价接枝到PPy-COOH上，合成了含有磺酸基团的聚吡咯电极PPy-SO₃H。由于–SO₃H基团的pKa值极低，即使在酸性条件下，引入的磺酸位点也能保持高度 dissociated状态，从而持续为UO₂²⁺的捕获提供负电荷结合位点。同时，富含磺酸基团的界面改善了电极表面的亲水性，有利于U(VI)的富集和界面吸附

CRediT作者贡献声明

Chunpei Yan: 方法学、数据管理。Chunyan Wang: 验证、方法学。Bin Huang: 可视化、软件、形式分析、数据管理。Yong Qian: 指导、资源协调、概念构思。Linteng Xie: 方法学研究。Tianxiang Jin: 文章撰写——审阅与编辑、初稿撰写

Guo等人，2025年；Guo等人，2025年；Johnson和Hallberg，2005年；Vivier和Orazem，2022年；Wang等人，2025年。

无需要声明的利益冲突。

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的利益冲突或个人关系。

作者感谢中国国家自然科学基金（编号22466002）、江西省重点学科学术和技术带头人培养计划（编号20225BCJ22008）以及江西省自然科学基金（编号20242BAB26061、20262BAC240094）的财政支持。本文中的数值计算是在中国科学技术大学的超级计算中心完成的。

Linteng Xie|Tianxiang Jin|Chunpei Yan|Chunyan Wang|Bin Huang|Yong Qian