Niedawno wspólny zespół badawczy kierowany przez profesora Qiu Jieshan z Uniwersytetu Technologii Chemicznej w Pekinie i profesora Wang Gang z Politechniki Dongguan opracował materiał elektrokatalityczny o podwójnej ścieżce konwersji. Materiał ten pozwala skutecznie wyodrębniać i odzyskiwać niezwykle cenny uran metaliczny ze ścieków zawierających uran-, ekstrahując w trakcie jednej ekstrakcji ponad trzykrotność własnej masy.
W ciągu 72 godzin materiał może usunąć 98,4% uranu ze ścieków-zawierających uran, zmniejszając stężenie uranu do 0,022 mg L⁻¹, co spełnia międzynarodowe normy dotyczące wody pitnej (0,03 mg L⁻¹). Eksperymenty modułowe potwierdziły, że w ciągu 17 godzin z wód gruntowych można było wydobyć 15,75 mg uranu.
Energia jądrowa jest kluczowym źródłem energii wspierającym rozwój gospodarczy i społeczny. Uran jest kluczowym materiałem do wytwarzania energii jądrowej. Jednakże łatwo wydobywalne złoża uranu na Ziemi stają się coraz rzadsze, a ścieki zawierające śladowe ilości uranu występują w dużych ilościach, marnując zasoby i zanieczyszczając środowisko. Materiał elektrokatalityczny opracowany przez ten zespół to nowatorski rodzaj nanomateriału zdolnego do wydajnej, szybkiej i czystej ekstrakcji uranu z wody.
(Źródło: https://www.nature.com/articles/s41467-025-65932-4)
01 Dwufunkcyjny materiał elektrokatalityczny zdolny do „chodzenia na dwóch nogach”
Ten przełom polega na zaprojektowaniu podwójnej funkcji tego materiału elektrokatalitycznego, polegającej na nadaniu mu możliwości „chodzenia na dwóch nogach”.
Ten specjalny materiał elektrokatalityczny, który stworzyli, jest genialnie połączony z dwoma materiałami: nieorganicznym tlenkiem wolframu i organicznym polipirolem.
Tlenek wolframu przybiera kształt jeżowca, podczas gdy polipirol, niczym warstwa przewodzącej galarety, równomiernie pokrywa powierzchnię jeżowca.
Ta genialna struktura kompozytowa nadaje temu nowatorskiemu materiałowi elektrokatalitycznemu następujące dwie główne właściwości:
Pierwszą możliwością jest „magnes” wewnętrznego pola elektrycznego.
Po połączeniu tlenku wolframu i polipirolu powstaje pomiędzy nimi niewielkie wewnętrzne pole elektryczne. To pole elektryczne działa jak kierunkowy suwak elektronów, umożliwiając płynniejszy przepływ elektronów z polipirolu do tlenku wolframu.
W rezultacie powierzchnia tlenku wolframu staje się bardziej skuteczna w wychwytywaniu i oswajaniu dodatnio naładowanych jonów uranu, szybko redukując je z powrotem do stałego uranu. Mówiąc najprościej, sprawia, że elektrokatalizator jest bardziej atrakcyjny dla uranu, mocniej go trzyma, a stopień redukcji jest szybszy.
Drugą możliwością jest-samodzielna produkcja „środka strącającego”.
Sam polipirol ma wyjątkową zdolność: może w pełni wykorzystywać tlen rozpuszczony w wodzie, stabilnie wytwarzając nadtlenek wodoru-ten sam nadtlenek wodoru, który jest używany do dezynfekcji-w oparciu o dwu-reakcję redukcji tlenu elektronowego.
Ma to kluczowe znaczenie, ponieważ nadtlenek wodoru po napotkaniu jonów uranu w wodzie natychmiast ulega reakcji „chemii kliknięcia”, w wyniku której powstaje żółty stały osad zwany nadtlenkiem uranu.
Reakcja ta jest-ugruntowaną metodą przemysłową oczyszczania uranu. W ten sposób elektroda nie tylko przyciąga jony uranu, ale także natychmiast je wytrąca w postaci stałego żółtego osadu, całkowicie oddzielając je od wody.
Te dwie ścieżki:-polem elektrycznym-redukcja elektrochemiczna napędzana i nadtlenkiem wodoru-wytrącanie chemiczne-pod wpływem nadtlenku wodoru mają efekt synergistyczny, podobnie jak wyposażenie elektrokatalizatora w podwójny silnik, znacznie zwiększając prędkość i całkowitą ilość uranu ekstrahowanego z wody.
(Źródło: https://www.nature.com/articles/s41467-025-65932-4)
02 Wysoka ekstrakcja, szybka ekstrakcja, wyraźne rozpoznanie,-długie użytkowanie
Eksperymenty wykazały imponującą wydajność tego dwu-elektrokatalizatora silnikowego:
Po pierwsze, wydobywa dużą ilość. Podczas testów eksperymentalnych jego najwyższa zdolność ekstrakcji osiągnęła 3104 miligramów uranu na gram materiału, czyli prawie dwukrotnie więcej niż w przypadku obecnie wiodących technologii.
Po drugie, szybko się ekstrahuje. W wodzie natlenionej może usunąć ponad 93% uranu w ciągu 6 godzin, co jest prawie dwukrotnie wydajniejsze niż w przypadku pojedynczego-silnika,-w środowisku wolnym od tlenu.
Po drugie, wykazuje doskonałą selektywność; nawet przy obecności w wodzie jonów metali zwyczajnych, takich jak sód, wapń i magnez, materiał elektrody może nadal precyzyjnie i preferencyjnie wychwytywać uran.
Wreszcie może poszczycić się trwałością. Delikatne przemywanie rozcieńczonym kwasem rozpuszcza i odzyskuje małe żółte kamienie przylegające do materiału elektrokatalizatora. Sam materiał elektrody jest wytrzymały i stabilny, co pozwala na co najmniej 20 ponownych zastosowań praktycznie bez pogorszenia wydajności.
Oznacza to, że ten funkcjonalny materiał nano-elektrokatalityczny ma szerokie perspektywy zastosowania. Technologia ta umożliwia skuteczne odzyskiwanie uranu ze ścieków, ograniczając ilość odpadów radioaktywnych i recykling cennych zasobów.
Ekonomiczna i wydajna ekstrakcja uranu z ogromnych ilości wody morskiej stanowi-od dawna wyzwanie. Wydajna, niskoenergetyczna technologia opracowana przez profesora Qiu Jieshana i zespół profesora Wang Ganga zapewnia nowe podejście do przyszłego rozwoju morskich zasobów uranu.
Co więcej, jego zastosowanie do oczyszczania-wody gruntowej zanieczyszczonej uranem może zapewnić bezpieczeństwo wodne i zdrowie ekologiczne.
(Źródło: https://www.nature.com/articles/s41467-025-65932-4)
Jeśli chodzi o plany na przyszłość, profesor Qiu Jieshan powiedział DeepTech: „Nasz zespół będzie ściśle współpracował z-najlepszymi instytucjami badawczymi i naukowcami w kraju i za granicą, wykorzystując zaawansowane-techniki charakteryzacji in situ, aby dogłębnie ujawnić wewnętrzną strukturę-aktywność tych funkcjonalnych materiałów elektrokatalitycznych oraz mechanizmy transportu i ewolucji form uranu, co jeszcze bardziej optymalizuje projektowanie materiałów i poprawia wydajność ekstrakcji uranu”.
W wywiadzie przewidział także szerokie perspektywy zastosowania materiałów funkcjonalnych, zwłaszcza funkcjonalnych materiałów węglowych, w separacji gazów, magazynowaniu energii i katalizie, szczególnie w zastosowaniach pilnie potrzebnych społeczeństwu, takich jak-wysokowydajne materiały i urządzenia do magazynowania energii, odsalanie wody morskiej i elektroliza wody do produkcji wodoru w połączeniu z inteligentną produkcją wysokowartościowych chemikaliów. W tych dziedzinach funkcjonalne materiały węglowe, ze względu na swoją unikalną strukturę i właściwości, będą odgrywać kluczową rolę.