Highly Efficient Electrocatalytic Uranium Extraction from Seawater over an Amidoxime‐Functionalized In–N–C Catalyst

铀酰 海水 化学 吸附 萃取(化学) X射线吸收光谱法 无机化学 催化作用 核化学 吸收光谱法 材料科学 物理化学 有机化学 物理 地质学 海洋学 冶金 量子力学
作者
Xiaolu Liu,Yinghui Xie,Mengjie Hao,Zhongshan Chen,Hui Yang,Geoffrey I. N. Waterhouse,Shengqian Ma,Xiangke Wang
出处
期刊:Advanced Science [Wiley]
卷期号:9 (23) 被引量:154
标识
DOI:10.1002/advs.202201735
摘要

Seawater contains uranium at a concentration of ≈3.3 ppb, thus representing a rich and sustainable nuclear fuel source. Herein, an adsorption-electrocatalytic platform is developed for uranium extraction from seawater, comprising atomically dispersed indium anchored on hollow nitrogen-doped carbon capsules functionalized with flexible amidoxime moieties (In-Nx -C-R, where R denotes amidoxime groups). In-Nx -C-R exhibits excellent uranyl capture properties, enabling a uranium removal rate of 6.35 mg g-1 in 24 h, representing one of the best uranium extractants reported to date. Importantly, In-Nx -C-R demonstrates exceptional selectivity for uranium extraction relative to vanadium in seawater (8.75 times more selective for the former). X-ray absorption spectroscopy (XAS) reveals that the amidoxime groups serve as uranyl chelating sites, thus allowing selective adsorption over other ions. XAS and in situ Raman results directly indicate that the absorbed uranyl can be electrocatalytically reduced to an unstable U(V) intermediate, then re-oxidizes to U(VI) in the form of insoluble Na2 O(UO3 ·H2 O)x for collection, through reversible single electron transfer processes involving InNx sites. These results provide detailed mechanistic understanding of the uranium extraction process at a molecular level. This work provides a roadmap for the adsorption-electrocatalytic extraction of uranium from seawater, adding to the growing suite of technologies for harvesting valuable metals from the earth's oceans.
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