最近、北京化工大学のQiu Jieshan教授と東莞理工大学のWang Gang教授が率いる共同研究チームは、二重変換経路を備えた電極触媒材料を開発した。この材料は、ウラン含有廃水から非常に貴重な金属ウランを効率的に抽出して回収することができ、1 回の抽出で自重の 3 倍以上を抽出します。{1}}
この材料は 72 時間以内に、ウランを含む廃水からウランの 98.4% を除去でき、ウラン濃度を 0.022 mg L⁻¹ に下げ、国際飲料水基準 (0.03 mg L⁻¹) を満たします。モジュール式実験により、17時間以内に地下水から15.75mgのウランを抽出できることが確認された。
原子力エネルギーは、経済社会の発展を支える重要なエネルギー源です。ウランは原子力発電の重要な材料です。しかし、地球上では簡単に採掘できるウラン鉱床がますます不足しており、その一方で微量のウランを含む廃水が大量に存在し、資源を浪費し、環境を汚染しています。このチームが開発した電極触媒材料は、水からウランを効率的、迅速かつきれいに抽出できる新しいタイプのナノ材料です。
(出典: https://www.nature.com/articles/s41467-025-65932-4)
01 「二足歩行」が可能な二機能電極触媒材料
この画期的な点は、この電極触媒材料に二重の機能を設計し、「二本足で歩く」能力を与えたことにあります。
彼らが作成したこの特別な電極触媒材料は、無機酸化タングステンと有機ポリピロールという 2 つの材料を巧みに組み合わせたものです。
酸化タングステンはウニの形に成長し、ポリピロールは導電性ゼリーの層のようにウニの表面を均一にコーティングします。
この独創的な複合構造は、この新しい電極触媒材料に次の 2 つの主要な機能を与えます。
1 つ目の機能は、内部電場「磁石」です。
酸化タングステンとポリピロールが結合すると、それらの間に小さな内部電場が生成されます。この電場は方向性のある電子スライドのように作用し、電子がポリピロールから酸化タングステンへとよりスムーズに流れることができます。
その結果、酸化タングステンの表面は、正に帯電したウランイオンを捕らえて手なずけるのがより上手になり、急速に電解還元して固体ウランに戻します。簡単に言うと、電極触媒がウランに引き寄せられ、よりしっかりと保持され、還元速度が速くなります。
2 番目の機能は、「沈殿剤」の自己生成です。-
ポリピロール自体には独自の能力があります。水中の溶存酸素を最大限に活用し、二電子酸素還元反応に基づいて過酸化水素-消毒に使用されるものと同じ-を安定して生成します。{2}
過酸化水素は水中でウランイオンに遭遇すると、すぐに「クリックケミストリー」反応を起こし、過酸化ウランと呼ばれる黄色の固体沈殿物を生成するため、これは非常に重要です。
この反応は、ウラン精製のための十分に確立された工業的方法です。-このようにして、電極はウランイオンを引き寄せるだけでなく、それらを瞬時に黄色の固体沈殿物として電極自体上に沈殿させ、水から完全に分離します。
これら 2 つの経路-電場-による電気化学的還元と過酸化水素-による化学的沈殿-）には相乗効果があり、電極触媒にデュアル エンジンを装備することで、水から抽出されるウランの速度と総量が大幅に加速されます。
(出典: https://www.nature.com/articles/s41467-025-65932-4)
02 高い抽出、速い抽出、明確な認識、長期間の使用-
実験により、このデュアル エンジン電極触媒の優れた性能が証明されました。{0}
まず、大量に抽出されます。実験テスト中、その最高抽出能力は材料 1 グラムあたり 3,104 ミリグラムのウランに達し、これは現在の主要技術のほぼ 2 倍です。
第二に、抽出が速いことです。酸素を含む水では、6 時間以内にウランの 93% 以上を除去できます。これは、単一エンジンの酸素のない環境に比べてほぼ 2 倍の効率になります。-
第二に、優れた選択性を示します。水中にナトリウム、カルシウム、マグネシウムなどの一般的な金属イオンが存在しても、電極材料はウランを正確かつ優先的に捕捉できます。
最後に長寿命を誇ります。希酸で穏やかに洗浄すると、電極触媒材料に付着した小さな黄色い石が溶解して回収されます。電極材料自体は堅牢で安定しており、実質的に性能が低下することなく少なくとも 20 回の再利用が可能です。
これは、この機能性ナノ-電極触媒材料には幅広い応用の可能性があることを意味します。ウランの採掘、加工、尾鉱処理において、この技術は廃水からウランを効率的に回収し、放射性廃棄物を削減し、貴重な資源をリサイクルすることができます。
大量の海水からウランを経済的かつ効率的に抽出する方法は長年の課題でした。{0}} Qiu Jieshan 教授と Wang Gang 教授のチームによって開発された効率的で低エネルギーの技術は、海洋ウラン資源の将来の開発に新しいアプローチを提供します。
さらに、ウラン汚染地下水の処理にこれを適用すると、水の安全性と生態系の健全性を確保できます。{0}
(出典: https://www.nature.com/articles/s41467-025-65932-4)
今後の計画について Qiu Jieshan 教授は DeepTech に対し、「私たちのチームは、国内外のトップレベルの研究機関や学者と緊密に連携し、高度な現場特性評価技術を利用して、これらの機能性電極触媒材料の固有構造活性関係とウラン種の輸送および進化メカニズムを深く明らかにし、材料設計をさらに最適化し、ウラン抽出性能を向上させます。」と述べています。
インタビューの中で同氏は、ガス分離、エネルギー貯蔵、触媒における機能性材料、特に機能性炭素材料の広範な応用の可能性についても構想しており、特に高性能エネルギー貯蔵材料や装置、海水淡水化、水素製造のための水の電気分解とファインケミカルのインテリジェント製造など、国家が緊急に必要としている用途においても同様でした。{0}これらの分野では、その特異な構造と特性から機能性炭素材料が重要な役割を果たします。
