近日，北京化工大學邱介山教授團隊和東莞理工學院王剛教授團隊合作研發出一種具備雙轉化路徑的電催化材料，該材料能夠從含鈾廢水中高效提取回收極爲珍貴的金屬—鈾，一次能提取超過材料自身重量三倍的鈾。在 72 小時內，該材料可以去除含鈾廢水中 98.4% 鈾，將鈾濃度降至 0.022mg L⁻¹，符合國際飲用水標準（0.03mg L⁻¹）。模塊化實驗證實，在 17 小時內，能夠從地下水中提取出了 15.75 毫克鈾。
圖 | 邱介山（來源：邱介山）
核能是支撐經濟社會發展的重要基礎能源。鈾是核能發電的關鍵材料。但是，地球上容易開採的鈾礦正變得越來越少，而含有微量鈾的廢水卻很多，這不僅浪費資源還污染環境。該團隊此次研發的電催化材料，是一種新型納米功能材料，能夠高效、快速、乾淨地從水裏提取鈾。
（來源：https://www.nature.com/articles/s41467-025-65932-4）
能夠“兩條腿走路”的雙功能電催化材料
此次突破在於給該電催化劑材料設計了雙重功能，賦予了其兩條腿走路的本領。他們製造的這種特殊電催化材料，由兩種材料巧妙耦合而成：一種是無機物氧化鎢，另一種是有機物聚吡咯。氧化鎢長成了海膽形狀，而聚吡咯則像一層導電的果凍，均勻地包裹在海膽表面。
這種巧妙的複合結構，賦予了這種新型電催化材料以下兩大能力：
第一個能力是內置電場“吸鐵石”。氧化鎢和聚吡咯結合後，它們之間會產生一個微小的內置電場。這個電場就像一個定向的電子滑梯，能讓電子更順暢地從聚吡咯流向氧化鎢。結果就是，氧化鎢表面變得更容易抓住並馴服帶正電的鈾離子，並將之快速電還原爲鈾固體產物。簡單來說，它讓電催化劑對於鈾的吸引力更強、抓得更牢固，還原速率更快。
第二個能力是自產“沉澱劑”。聚吡咯本身有一個絕活：它可以充分利用水中的溶解氧，基於一種兩電子氧還原反應過程，穩定地生產出過氧化氫，也就是我們消毒時使用的雙氧水。這一點非常關鍵，因爲過氧化氫遇到水中的鈾離子，會立刻發生“點擊化學”反應，生成一種名爲過氧化鈾的黃色固體沉澱。
這個反應在工業上本來就是用來提純鈾的成熟方法。這樣一來，電極不僅能把鈾離子吸過來，還能當場把它變成固體黃石沉澱在自己身上，徹底從水中分離出來。
這兩條路徑，即電場驅動的電化學還原和過氧化氫驅動的化學沉澱，有相輔相成的“雙劍合璧”之功效，就像給電催化劑裝上了雙引擎，大大加快了從水中撈鈾的速度和總量。
（來源：https://www.nature.com/articles/s41467-025-65932-4）
吸得多、吸得快、認得清、用得久
實驗證明，這種雙引擎電催化劑的表現令人歎服：
首先是吸得多，在實驗測試過程中，它的最高提取容量達到了每克材料 3,104 毫克鈾，是目前同類頂尖技術的將近兩倍。
其次是吸得快，在含有氧氣的水中，6 小時內就能清除超過 93% 的鈾，效率比只有單引擎也就是無氧環境時高出將近一倍。
再次是認得清，即使水中有很多像鈉、鈣、鎂這樣的常見金屬離子來搗亂，該電極材料依然可以精準地優先抓取鈾，表現出優異的選擇性。
最後是用得久，用稀酸輕輕一洗，附着在電催化劑材料上的小黃石就能被溶解回收，而電極材料本身結構堅固而穩定，可以重複使用至少 20 次，性能幾乎沒有衰減。
這意味着這種功能納米電催化材料有廣闊的應用前景。在鈾礦開採、加工及尾礦處理過程中，使用這種技術可以高效地回收廢水中的鈾，既能減少放射性廢物，又能回收寶貴資源實現循環利用。
如何從巨量海水中經濟高效地提取鈾是一個長期挑戰，邱介山教授和王剛教授團隊研發的這項高效、低能耗的技術，爲未來開發海洋鈾資源提供了新的思路。而將其用於治理受到鈾污染的地下水，則能保障用水安全和生態健康。
（來源：https://www.nature.com/articles/s41467-025-65932-4）
談及未來計劃，邱介山教授告訴 DeepTech：“我們團隊將與國內外一流的研究機構和學者密切合作，利用原位的先進表徵手段，深入揭示這類功能電催化材料的本徵構效關係及鈾物種的傳輸和演變機制，進一步優化材料的設計，提升材料的提鈾性能。”
採訪中，他還展望了功能材料特別是功能碳材料在氣體分離、儲能、催化等領域的應用前景廣闊，尤其是在國家急需的高性能儲能材料與器件、海水淡化、水電解制氫耦合精細化學品智造等方面的應用，在這些領域，功能碳材料因其獨特的結構與性質，將發揮關鍵作用。
參考資料：
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https://www.nature.com/articles/s41467-025-65932-4
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