从含铀水中通过电驱动方法提取铀

《Coordination Chemistry Reviews》：Electro-driven uranium extraction from uranium-bearing waters

　　•尿烷基配位化学是影响EUE效率的关键因素。•EUEs通过传质、配位、电子转移和沉积等方法进行比较。•本文回顾了尿烷基在电极设计和结构-活性关系中的研究。•电化学调控和设备优化使得高性能的EUE成为可能。•文章概述了可持续铀回收的主要挑战和未来展望。

引言
随着全球能源系统向低碳发展转型，核能因其高能量密度、运行稳定性以及在发电过程中几乎不产生二氧化碳排放而受到广泛认可，被视为应对气候变化不可或缺的支柱[1]，[2]，[3]。近年来，全球核电行业迅速发展，许多国家将核电作为满足日益增长的能源需求、确保能源独立性和减少碳排放的战略途径[4]。全球核电装机容量的持续增长突显了核能在减缓气候变化和保障能源安全方面的重要作用。铀是当前核能产业中的关键战略元素[5]。然而，全球陆地铀储量有限，仅剩约950万吨铀矿。鉴于全球核电厂每年消耗约6.2万吨铀，这些陆地储量预计将在一个世纪内耗尽。这种资源稀缺性，加上铀开采和加工带来的环境负担，强调了从替代来源（特别是核燃料循环过程中产生的含铀水体）中回收铀的重要性[6]。在这些水体中，铀主要以六价铀（U(VI)）的形式存在，通常以尿烷基离子（UO22+）的形式存在，其线性二氧结构和赤道配位位点决定了铀的形态、迁移性和反应性。这些离子具有较长半衰期、高毒性和强烈的环境迁移性，对生态系统和公共健康构成重大风险。因此，从含铀水体中回收铀不仅减轻了对初级铀资源的压力，也解决了环境修复的紧迫需求，代表了核能行业可持续发展的双重效益策略[7]。
目前，根据铀浓度、来源和化学环境的不同，含铀水体可分为海水、铀矿废水和核工业废水。作为最终的铀储存库，海水中铀的浓度极低，大约为3.3微克/升[8]，但其总铀含量高达45亿吨，几乎是陆地可采资源的三个数量级[9]。从海水中提取铀的核心挑战在于需要在高盐度和众多竞争性离子的复杂环境中选择性富集铀[10]，[11]。相比之下，铀矿废水的铀浓度范围为几毫克至数十毫克/升，这为环境修复和资源回收提供了双重机会[12]。然而，铀矿废水中含有多种竞争性金属离子，这些离子会干扰铀的提取，导致选择性差、回收效率低和产物纯度不高。而核工业废水（作为封闭核燃料循环的重要组成部分）中的铀含量超过100毫克/升。处理或回收这些废水可达到90%以上的回收率，显著提高资源利用效率，并大幅减少废水量和毒性。从核工业废水中分离铀的难点在于，在高放射性和强酸性环境中，铀常与F?等阴离子形成稳定的复合物，从而大大增加了选择性分离的难度[13]。因此，推进这些含铀水体的资源回收技术对于促进核能行业的可持续发展、推动全球气候变化缓解 effort以及保护生态环境具有重要意义。
表1比较了这些含铀水体的pH值、主要铀物种、铀浓度及共存离子，为电极设计和操作条件的选择提供了基础。

迄今为止，包括吸附、化学沉淀和离子交换在内的铀提取技术被广泛用于含铀水体的处理。然而，复杂的水质、高盐度和大量干扰离子显著限制了这些技术的性能，常常导致反应速率缓慢、选择性差和产物纯度不理想。特别是化学沉淀在低铀浓度下的效率较低，并容易引起共沉淀，从而复杂化后续纯化步骤。离子交换过程则面临树脂毒化和活性损失的问题，在恶劣化学或辐射条件下的稳定性不足。基于吸附的方法易导致吸附容量迅速饱和，需要频繁再生；而使用强酸或强碱洗脱剂可能会造成二次污染和较高的运营成本。综上所述，迫切需要开发绿色、节能且成本效益高的技术，以实现含铀水体的高效和可持续铀提取。

电化学铀提取（EUE）技术由于其低成本、低能耗和环保性，在从含铀水体中提取铀方面展现出巨大潜力[14]。EUE系统促使UO22+向阴极定向迁移，使可溶性U(VI)富集或还原为不溶性铀物种，从而实现铀的有效分离和稳定固定[15]，[16]，[17]，[18]。EUE的核心在于尿烷基在电极表面的配位环境，这决定了尿烷基的识别、富集和电子转移路径。EUE技术克服了传统方法在复杂水溶液中选择性差和反应速率慢的固有局限性。基于这些优势，EUE技术引起了越来越多的关注，并被视为有效的铀回收解决方案。然而，对其内部过程、原理和机制的系统性研究仍需加强。本综述旨在通过系统分析电容去离子（CDI）、电沉积、电化学还原和光电化学还原方法在铀提取关键过程中的优势与局限性，填补这一空白，涵盖提取机制、设计策略、效益评估和应用等方面。电极界面是铀提取的核心部位，从根本上决定了整个过程的效率和效果。因此，本文综述了专为高效提取各种含铀水体设计的先进电极，重点关注其尿烷基配位化学、提取机制和结构-活性关系，并指出了该领域的技术瓶颈。此外，我们还分析和比较了不同EUE技术的优缺点，为未来含铀水体铀提取的电催化剂设计和工艺开发提供了前瞻性见解。总体而言，本综述为绿色可持续铀提取的电驱动工艺设计提供了新的见解，为开发高性能电极和优化设备工程提供了指导，同时促进了核工业的循环经济，强调了铀提取在未来的水-能源耦合系统中的关键作用。

EUE技术的设计原则
电化学提取UO22+受到复杂配位化学、竞争性离子以及含铀水体中铀分离难度的限制。传统的电化学提取方法由于电极材料对UO22+的亲和力低、电子转移动力学缓慢和质量传输效率低而实际应用受限。最近的研究提出了三种克服这些限制的关键策略：

电容去离子（CDI）的基本原理
CDI是一种在低电压下工作的技术，用于将离子吸附到电极表面，从而实现溶液的分离和纯化[19]，[20]，[21]。该技术具有环保、低能耗、操作简便和电极可重复使用的优点，使其成为铀提取和回收的有希望的候选方法[22]，[23]，[24]。图2展示了CDI通过电双层效应提取铀的过程。

电沉积的基础原理
电沉积是一种通过控制金属离子在导电基底上的还原和沉积来实现金属资源回收的电化学技术，具有操作简单和成本效益高的优点[78]。在铀提取系统中，外部电场驱动UO22+向阴极移动，在那里它们被还原并在基底表面形成沉积物（图4a-b）[79]。图4显示了电沉积的过程。

电化学还原的概述
电化学还原是一种通过外部电场供应电子来驱动高价铀物种还原为低价态的有效铀提取方法[97]。当溶解的U(VI)在电极界面接收电子时，会被还原为不溶性的U(IV)产物，如UO2和U3O8，这些产物沉积在电极表面上，从而实现铀从水相中的分离和固定。对于包括海水在内的复杂水系统，

光电化学还原的基本机制
传统的电化学铀提取主要依赖外部电能来驱动铀的还原。尽管这种方法可以有效分离和固定铀，但相对较高的能量输入和伴随的副反应降低了电子利用效率，限制了其应用范围。作为一种新兴的能量耦合铀提取方法，光电化学还原技术在解决这些问题上具有独特优势。

结论与展望
EUE技术的发展对于从含铀水体中高效回收铀至关重要。本综述全面分析了各种EUE技术及其最新进展，包括关键因素、主要优缺点和未来发展方向（图7和表2），以改进EUE技术，使其更加可持续和具有成本效益。图7从能耗、合成成本和再生能力等方面比较了四种EUE技术。

作者声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢
我们衷心感谢国家自然科学基金（52470070、52600287、42477386、42230719）、广东省科学技术协会青年科技人才培训项目（SKXRC2026302、SKXRC2026298）、广东省自然科学基金（2025A1515012030）、博士后资助计划和中国博士后科学基金（GZC20250896）以及广州市青年人才支持项目的财政支持。