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全球首例！我國科學家實現鹽湖鈾資源“零能耗”高效提取

面對傳統鈾礦資源日益緊缺及其開采帶來的環境壓力，探尋非常規鈾資源并開發綠色低碳的提取技術，已成為保障核能可持續發展的關鍵。鹽湖作為地球上鈾濃度相對較高的水體，被認為是極具潛力的替代鈾資源。然而，鹽湖水體中極高的雜質離子（如鎂、鈉、鉀等）濃度，給高選擇性提鈾帶來了巨大挑戰。因此，如何利用鹽湖地區天然存在的水流動能，并克服高鹽復雜環境的干擾，實現鈾的綠色、高效、選擇性提取，是當前科學研究亟待突破的難題。

針對上述挑戰，電子科技大學薛欣宇教授、邢麗麗教授和中國工程物理研究院趙曉沖研究員合作團隊提出了一種基于液滴降落的自發式鈾提取（DUE）新策略。該策略的核心是利用鹽湖鹵水自然降落的動能，通過一種新型的三層復合薄膜（鋁-氟化乙烯丙烯共聚物-殼聚糖@碳氈，簡稱Al-FEP-CTS@CF）將其轉化為電能，進而驅動原位電化學反應，實現鈾的自發、高效提取。該技術無需外部能源輸入，且在高鹽度的真實鹽湖環境中展現出優異的提取效率和選擇性，為全球鈾資源的可持續供應開辟了一條全新路徑。相關論文以“Spontaneous uranium extraction from salt-lake water via droplet falling”為題，發表在Nature Sustainability上。

研究團隊設計的DUE策略如圖1所示，通過安裝在鹽湖岸邊的多級臺階裝置，將下泄的鹵水流分段轉化為高頻液滴。裝置的核心是圖1b展示的三層功能薄膜：頂層的鋁電極作為電荷儲存庫；中間經電感耦合等離子體刻蝕的FEP膜具有超疏水特性，能促進固液界面相互作用并快速分離液滴，減少能量損失；底層的殼聚糖修飾碳氈（CTS@CF）則能選擇性吸附鈾離子并作為電化學反應位點。當含鈾液滴撞擊薄膜時，固液界面相互作用產生電能，釋放的電子將吸附的六價鈾還原，最終在殼聚糖表面形成鈾沉淀物（圖1e, 1f）。與現有方法相比，該技術利用天然機械能，在保持高提取效率的同時大幅降低了運營成本（圖1g）。

圖1 | DUE方法的設計。 a，鹽湖岸邊的多級DUE裝置，利用鹽水下落實現大規模鈾提取。b，DUE薄膜的三層材料結構。c，DUE薄膜的可擴展性。d，CTS@CF表面在DUE前后的顏色變化。e，DUE過程的工作原理。f，真實鹽湖中DUE過程的電化學反應。g，近期 aqueous 鈾提取方法與我們的DUE方法的成本和效率比較。

為驗證技術的實際應用潛力，團隊在青海察爾汗鹽湖開展了實地實驗（圖2a）。在一個四級的瀑布式裝置上（圖2b），DUE薄膜在40小時內成功將鈾從鹵水中提取出來，薄膜表面顏色由黑變黃（圖2c）。提取的沉淀物經收集過濾后（圖2d），通過掃描電鏡、能譜分析（圖2e, 2f）和X射線衍射（圖2g）鑒定，其主要成分為鎂鈾酸鹽（MgU?O?）和鈉多鈾酸鹽（Na?U?O??）。在跨越20公里距離的三個不同采樣點進行的定量測試（圖2h, 2i）顯示，該裝置能將鹽湖水中鈾濃度從173 μg/L降至34 μg/L，提取效率高達80.3%，而對其他高濃度雜質離子的提取率則非常有限（圖2j），證明了其卓越的選擇性和可擴展性。

圖2 | 真實鹽湖環境中的現場實驗。 a，部署在鹽湖水管道下方的四步級聯DUE裝置。b，裝置的正面和側面視圖。c，40小時DUE過程中CTS@CF的顏色變化。d，從CTS@CF上剝離產物并在濾紙上收集。e，濾紙上最終產物的SEM和EDS映射圖像。f，最終產物的EDS能譜。g，最終產物的XRD圖譜。h，不同水文條件下采集鹽湖水樣。i，使用DUE裝置進行定量測試。j，真實鹽湖水對U和競爭離子的提取效率。

對DUE薄膜本身的精細表征揭示了其高效工作的內在機理。薄膜的三層結構清晰可見（圖3a），經過刻蝕的FEP膜表面具有類似荷葉的微納結構（圖3b），粗糙度達0.91，接觸角158°，呈現超疏水特性（圖3c），并維持固-液-氣三相接觸線的Cassie-Baxter狀態（圖3d）。CTS@CF則呈現出多孔的三維纖維結構（圖3e），X射線光電子能譜（圖3f）和傅里葉變換紅外光譜（圖3g）證實了殼聚糖上氨基、羥基等特征官能團的成功負載，這些官能團也顯著提升了材料的親水性和在水中的分散穩定性（圖3h, 3i）。在電輸出性能方面，DUE薄膜的開路電壓可超過200 V，短路電流大于1 mA（圖3i, 3j），其輸出性能受液滴釋放高度和體積影響（圖3k, 3l），并在高達180 Hz的沖擊頻率下仍能保持穩定（圖3n），且具備優異的長期工作穩定性（圖3o）。超疏水表面是實現高電壓輸出的關鍵（圖3p）。

圖3 | DUE薄膜的表征。 a，DUE薄膜的材料結構。b，FEP膜表面形貌的SEM圖像，插圖為氟元素的EDS映射。c，FEP膜的3D光學表面輪廓，插圖為液滴接觸角。d，激光共聚焦觀察顯示FEP表面的固-液-氣三相接觸線。e，CTS@CF的SEM圖像。f，CF和CTS@CF的XPS光譜。g，CF和CTS@CF的FTIR光譜。h，CF和CTS@CF的接觸角。i，DUE薄膜的電壓輸出。j，電流輸出。k，不同高度下的電壓輸出。l，不同液滴體積下的電壓輸出。m，100 Hz高頻液滴沖擊的照片。n，不同液滴頻率下的電壓輸出。o，長期穩定性測試。p，不同表面潤濕性下高頻液滴的電壓輸出比較。

為了深入揭示DUE過程的微觀機理，團隊追蹤了鈾在材料表面的演化過程（圖4a-d）。從最初單個鈾酰離子的吸附（100滴），到聚集形成小團簇（500滴），再到成核結晶為納米晶（1000滴），最終融合成納米片（2000滴）。經過12小時的提取后，薄膜表面形成了明顯的片狀鈾沉淀物（圖4e），高角環形暗場掃描透射電鏡分析確認了其主要為過氧化鈾水合物（UO?O?·2H?O）（圖4f）。在真實鹽湖水中提取后，薄膜表面同樣覆蓋了致密的含鈾沉淀（圖4g），飛行時間二次離子質譜顯示鈾與氧、鎂、鈉元素共分布（圖4h），透射電鏡和能譜分析進一步證實了包含鎂、鈉的多晶混合相鈾物種的形成（圖4i, 4j）。通過對比空氣和氮氣氣氛下的提取實驗（圖4k-m），并結合X射線吸收近邊結構譜分析（圖4n, 4o），團隊證實了在空氣氛圍下，六價鈾被還原并與氧及鹽湖中的鎂、鈉離子反應生成鈾酸鹽；而在無氧條件下，則生成四價鈾的氧化物。理論計算表明，殼聚糖對鈾物種的吸附能遠高于對其他共存離子的吸附能（圖4q），從原子層面解釋了其高選擇性的來源。

圖4 | DUE過程的機理。 a-d，在1 mg/L U濃度下，DUE過程中鈾沉積的AC-TEM圖像：a 100滴，b 500滴，c 1,000滴，d 2,000滴。e，在1 mg/L U濃度下DUE 12小時后CTS@CF的SEM圖像。f，在1 mg/L U濃度下DUE 12小時后鈾沉淀物的AC-TEM圖像和STEM-EDS映射。g，使用真實鹽湖水DUE后CTS@CF的SEM圖像。h，使用真實鹽湖水DUE后CTS@CF的TOF-SIMS圖像。i-j，使用真實鹽湖水提取的鈾沉淀物的HAADF-STEM圖像（i）和STEM-EDS映射（j）。k-m，從空氣和N?氣氛下的真實鹽湖水、1 mg/L (pH=3)和1,000 mg/L (pH=9)溶液中提取的產物的拉曼光譜（k）、XPS光譜（l）和XRD光譜（m）。n,o，在N?氣氛（n）和空氣氣氛（o）下，1 mg/L pH=3和1,000 mg/L pH=9的DUE樣品的U L?-edge XANES光譜的一階導數。p，真實鹽湖水中鈾物種的PLTRS結果（883 μs, 270 μs, 144 μs, 962 μs）。q，吸附能計算。

這項研究提出的液滴提鈾（DUE）策略，為從富含礦物質的鹽湖中自發提取鈾提供了一種可持續的解決方案。它巧妙利用了水流的重力勢能驅動選擇性電化學過程，在高效提取鈾的同時，最大限度地抑制了雜質離子的共沉淀。真實鹽湖環境中的現場實驗證明了該技術在工業規模下的可擴展性和適應性。盡管當前提鈾效率相較于部分傳統技術仍有提升空間，但該策略零能耗、低環境影響的特點，為未來從非常規水源中獲取戰略資源指明了新方向。研究團隊展望，未來可通過增加吸附活性位點密度和提高電荷轉移效率來進一步提升提取性能，并通過修飾不同的選擇性吸附位點，將該策略拓展至其他水溶性礦物資源的提取。