Nedávno společný výzkumný tým vedený profesorem Qiu Jieshanem z Pekingské univerzity chemické technologie a profesorem Wangem Gangem z technologické univerzity Dongguan vyvinul elektrokatalytický materiál s duální konverzní cestou. Tento materiál dokáže účinně extrahovat a regenerovat extrémně cenný kovový uran z odpadních vod obsahujících uran-, přičemž při jediné extrakci získá více než trojnásobek své vlastní hmotnosti.
Během 72 hodin dokáže materiál odstranit 98,4 % uranu z odpadních vod obsahujících uran-, čímž se sníží koncentrace uranu na 0,022 mg L⁻¹, což odpovídá mezinárodním normám pro pitnou vodu (0,03 mg L⁻¹). Modulární experimenty potvrdily, že 15,75 mg uranu lze získat z podzemní vody během 17 hodin.
Jaderná energie je zásadním zdrojem energie podporujícím ekonomický a sociální rozvoj. Uran je klíčový materiál pro výrobu jaderné energie. Snadno těžitelná uranová ložiska na Zemi jsou však stále vzácnější, zatímco odpadní vody obsahující stopová množství uranu jsou hojné, plýtvají zdroji a znečišťují životní prostředí. Elektrokatalytický materiál vyvinutý tímto týmem je novým typem nanomateriálu schopného efektivně, rychle a čistě extrahovat uran z vody.
(Zdroj: https://www.nature.com/articles/s41467-025-65932-4)
01 Bifunkční elektrokatalytický materiál schopný „chůze na dvou nohách“
Tento průlom spočívá v navržení duální funkce pro tento elektrokatalytický materiál, který mu dává schopnost „chodit po dvou nohách“.
Tento speciální elektrokatalytický materiál, který vytvořili, je důmyslně spojen ze dvou materiálů: anorganického oxidu wolframu a organického polypyrrolu.
Oxid wolframu roste do tvaru mořského ježka, zatímco polypyrrol je jako vrstva vodivého želé rovnoměrně potažen na povrchu mořského ježka.
Tato důmyslná kompozitní struktura dává tomuto novému elektrokatalytickému materiálu následující dvě hlavní schopnosti:
První schopností je vnitřní elektrické pole „magnet“.
Po spojení oxidu wolframu a polypyrrolu se mezi nimi vytvoří malé vnitřní elektrické pole. Toto elektrické pole působí jako směrový elektronový skluz, který umožňuje, aby elektrony plynule proudily z polypyrrolu do oxidu wolframu.
Výsledkem je, že povrch oxidu wolframu se stává schopnějším při zachycování a zkrocení kladně nabitých iontů uranu a rychle je elektroredukuje zpět na pevný uran. Jednoduše řečeno, elektrokatalyzátor je pro uran atraktivnější, pevněji ho drží a rychlost redukce je rychlejší.
Druhou možností je vlastní-produkce „srážedla“.
Samotný polypyrrol má jedinečnou schopnost: dokáže plně využít rozpuštěný kyslík ve vodě a stabilně produkovat peroxid vodíku-stejný peroxid vodíku, jaký se používá k dezinfekci-na základě dvou-elektronové redukce kyslíku.
To je zásadní, protože peroxid vodíku po setkání s uranovými ionty ve vodě okamžitě podstoupí reakci „cvaknutí“ a vytvoří žlutou pevnou sraženinu nazývanou peroxid uranu.
Tato reakce je dobře-zavedený průmyslový způsob čištění uranu. Tímto způsobem elektroda nejen přitahuje ionty uranu, ale také je okamžitě vysráží jako pevnou žlutou sraženinu na sobě, čímž je zcela oddělí od vody.
Tyto dvě cesty-elektrickým polem-řízená elektrochemická redukce a peroxid vodíku-chemické srážení-mají synergický efekt, jako je vybavení elektrokatalyzátoru duálním motorem, což výrazně zrychluje rychlost a celkové množství uranu extrahovaného z vody.
(Zdroj: https://www.nature.com/articles/s41467-025-65932-4)
02 Vysoká extrakce, rychlá extrakce, jasné rozpoznání, dlouhodobé-použití
Experimenty prokázaly působivý výkon tohoto dvou{0}}motorového elektrokatalyzátoru:
Za prvé, extrahuje velké množství. Během experimentálního testování dosáhla jeho nejvyšší extrakční kapacita 3 104 miligramů uranu na gram materiálu, což je téměř dvojnásobek oproti současným předním technologiím.
Za druhé, rychle se extrahuje. V okysličené vodě dokáže odstranit více než 93 % uranu během 6 hodin, což je téměř dvakrát efektivněji než v prostředí s jedním-motorem a bez kyslíku-.
Za druhé, vykazuje vynikající selektivitu; dokonce i za přítomnosti běžných kovových iontů, jako je sodík, vápník a hořčík ve vodě, může materiál elektrody stále přesně a přednostně zachytit uran.
Konečně se může pochlubit dlouhou životností. Jemné promytí zředěnou kyselinou rozpustí a obnoví malé žluté kamínky ulpívající na materiálu elektrokatalyzátoru. Samotný materiál elektrody je robustní a stabilní, umožňuje alespoň 20 opakovaných použití prakticky bez snížení výkonu.
To znamená, že tento funkční nano-elektrokatalyzátor má široké uplatnění. Při těžbě uranu, jeho zpracování a úpravě hlušiny může tato technologie účinně získávat uran z odpadních vod, redukovat radioaktivní odpad a recyklovat cenné zdroje.
Jak hospodárně a efektivně extrahovat uran z obrovského množství mořské vody je dlouhotrvající-výzvou. Účinná, nízkoenergetická-technologie vyvinutá profesorem Qiu Jieshanem a týmem profesora Wang Ganga poskytuje nový přístup k budoucímu rozvoji zdrojů mořského uranu.
Jeho použití při úpravě podzemních vod-kontaminovaných uranem může navíc zajistit bezpečnost vody a ekologické zdraví.
(Zdroj: https://www.nature.com/articles/s41467-025-65932-4)
Ohledně budoucích plánů řekl profesor Qiu Jieshan společnosti DeepTech: "Náš tým bude úzce spolupracovat s předními-výzkumnými institucemi a vědci na domácím i mezinárodním trhu a využije pokročilé techniky charakterizace in situ k hloubkovému odhalení vnitřní struktury-aktivity těchto funkčních elektrokatalytických materiálů a mechanismů transportu a evoluce uraniových druhů a dalších optimalizačních mechanismů extrakce urania."
V rozhovoru také představil široké možnosti uplatnění funkčních materiálů, zejména funkčních uhlíkových materiálů, při separaci plynů, skladování energie a katalýze, zejména v aplikacích, které národ naléhavě potřebuje, jako jsou vysoce{0}}výkonné materiály a zařízení pro skladování energie, odsolování mořské vody a elektrolýza vody pro výrobu vodíku ve spojení s inteligentní výrobou čistých chemikálií. V těchto oborech budou hrát zásadní roli funkční uhlíkové materiály díky své jedinečné struktuře a vlastnostem.