（研究问题）

随着核能需求的增加，从海水中提取铀成为解决全球能源危机的重要途径。海水中铀资源丰富，但浓度极低且提取难度大。电容去离子化（CDI）技术因其高效、节能等优点被认为是提取铀的有力手段。然而，开发具有高吸附能力和选择性的电极材料仍然是一个挑战。本研究通过设计PPy@MoSe2@MXene复合材料，实现了高效、选择性的铀提取。

（发表概况）

2025年2月1日，聊城大学化学化工学院赵金生课题组在Chemical Engineering Journal发表了题为“Efficient and selective uranium electrochemical extraction over flexibly engineered bi-functional Polypyrole@MoSe2@MXene”的研究论文，报道了一种新型的三元复合材料Polypyrrole@MoSe₂@MXene（PPy@MoSe₂@MXene），通过合理设计实现了高效的铀提取。该材料结合了MoSe₂的赝电容嵌入行为、MXene的离子交换能力和PPy的氮活性位点，展现出卓越的铀提取能力，提取容量高达659 mg g⁻¹，并在10次循环后保持84%的容量。此外，原位拉曼光谱和密度泛函理论（DFT）计算揭示了其选择性提取铀的机制，为从海水中高效提取铀提供了新策略。

（研究内容）

现有的铀提取技术存在诸多挑战，如传统吸附法效率低下，光催化技术受限于昼夜和季节变化，电催化技术需要额外电场支持，违背绿色可持续发展理念。因此，开发一种新型的高效、节能且具有高选择性的铀提取材料成为研究热点。PPy@MoSe₂@MXene复合材料结合了MoSe₂的高离子嵌入能力、MXene的高导电性和PPy的氮活性位点，有望克服现有材料的局限性，实现高效铀提取。

要点1：通过三步法成功制备了PPy@MoSe₂@MXene复合材料。首先，通过化学蚀刻法制备了MXene纳米片，随后在其表面生长MoSe₂纳米片，最后通过原位聚合在MoSe₂@MXene表面包覆PPy层。SEM和TEM图像显示，MoSe₂纳米片均匀分布在MXene表面，PPy层进一步包裹形成核壳结构。这种结构设计不仅抑制了MoSe₂和PPy的堆叠，还提供了丰富的离子传输通道和活性位点。

示意图1 PPy@MoSe2@MXene的合成路线示意图。

图1.a）MoSe₂、（B）MoSe₂@MXene和（c）-（d）PPy@MoSe₂@MXene的SEM图像，PPy@MoSe₂@MXene的（e）TEM、（f）HRTEM和（g）HAADF。PPy@MoSe₂@MXene的C（h）、Ti（i）、F（j）、Mo（k）、Se（l）、N（m）和S（m）元素的相应映射图像。

要点2：电化学测试表明，PPy@MoSe₂@MXene电极在1 M NaCl溶液中展现出优异的电化学性能。循环伏安（CV）和恒流充放电（GCD）测试显示，该复合材料具有最高的比电容（189 F g⁻¹）和最低的电荷传输电阻（R_ct），表明其快速的离子传输能力和高效的电荷存储特性。此外，PPy@MoSe₂@MXene电极在不同扫描速率下展现出良好的电化学可逆性，且在1500次循环后保持了92%的初始电容，显示出优异的稳定性。

图2.(a)在5 mV s^-1的扫描速率下的CV曲线和（B）对于MXene、MoSe₂、MoSe₂@MXene、和PPy@MoSe₂@MXene电极在1 M NaCl溶液中的电化学行为。（c）在360 mg L^-1 UO₂（NO₃）₂溶液中5 mV s^-1时四个电极的CV曲线。（d）EIS图和（e）四个电极的充电电阻。（f）四个电极的实际阻抗Z'对w-1/2。（g）log i对log v的曲线。（h）在0.2和1 mV s-1之间的范围内的电容与扩散的比率。（i）PPy@MoSe₂@MXene电极在1500次重复GCD期间的电容以及前5次循环和最后5次循环的相关GCD曲线。

要点3：在300 mg L⁻¹ UO₂(NO₃)₂溶液中，PPy@MoSe₂@MXene电极展现出卓越的铀提取能力，提取容量高达659 mg g⁻¹，远高于其他对照组。此外，该材料在不同pH值下表现出最佳的铀提取性能（pH=5），且在不同电压下展现出高效的铀捕获能力。动力学模型分析表明，铀的吸附过程涉及物理吸附和化学吸附的协同作用，且PPy@MoSe₂@MXene电极在低浓度铀溶液中展现出更高的吸附效率。经过多次吸附-解吸循环实验，PPy@MoSe₂@MXene电极仍保持较高的铀提取能力，10次循环后吸附容量为276 mg g⁻¹，占初始容量的80%。这表明该材料具有良好的可重复使用性，适合实际应用中的铀提取。

图3.(a)研究了AC//MoSe₂、AC//MXene、AC//MoSe₂@MXene和AC//PPy@MoSe₂@MXene电池在300 mg L-1 UO₂²⁺溶液中（pH = 5，1.2 V）的铀捕获容量与吸附时间和（b）相应能耗的关系。（e）料液浓度对AC//PPy@MoSe₂@MXene电池捕集UO₂²⁺容量的影响。（f）四个CDI电池的准一级动力学拟合曲线和（g）准二级动力学拟合曲线。（h）AC//PPy@MoSe₂@MXene电池的Langmuir和Freundlich等温模型：（i）AC//PPy@MoSe₂@MXene电池在pH = 5和1.2 V的200 mg L-1UO22+溶液中的10次吸附/解吸循环。

要点4：原位拉曼光谱揭示了PPy@MoSe₂@MXene在铀提取过程中的动态变化。在吸附过程中，材料表面逐渐出现U-O键的特征峰（715 cm⁻¹），表明UO₂²⁺离子被成功还原为UO₂并储存在材料内部。这一结果进一步证实了PPy@MoSe₂@MXene在铀提取过程中通过赝电容嵌入和电沉积的协同作用实现高效的铀捕获。

图4.(a) PPy@MoSe₂@MXene吸附UO₂²⁺后的SEM图像和（a）HAADF-STEM图像及相应的元素分布图;（c）PPy@MoSe₂@MXene吸附UO₂²⁺后的U 4f和（d）N1s谱;（e）PPy@MoSe₂@MXene在充电过程中捕获UO₂²⁺的原位拉曼谱。

要点5：在复杂的离子体系中，PPy@MoSe₂@MXene电极展现出优异的铀选择性。即使在高浓度的Na⁺、K⁺、Ca²⁺和Mg²⁺存在的情况下，该材料仍能高效提取铀。DFT计算表明，PPy@MoSe₂@MXene的结构设计优化了离子传输路径，降低了铀离子的扩散能垒（0.064 eV），远低于其他金属离子，从而实现了高效的铀选择性提取。

图5：(a)研究了不同Na⁺/UO₂²⁺摩尔浓度比下，不同pH值下，Na ⁺/UO₂²⁺的吸附容量及相应的选择性系数（SU/Na），和UO₂2+的摩尔浓度对PPy@MoSe₂@MXene的微分电荷密度的影响（d）MoSe₂、MXene、MoSe₂@MXene和MoSe₂@MXene的电子转移数（DOS）;（e）PPy@MoSe₂@MXene中沿着同一方向的离子扩散能垒和离子在AC//中的迁移和存储过程的机理。

综上所述，本研究成功开发了一种新型的PPy@MoSe₂@MXene三元复合材料，用于高效、选择性地从海水中提取铀。该材料通过伪电容嵌入和电沉积的协同作用实现了快速的铀捕获，并通过优化结构设计显著降低了铀离子的扩散能垒，展现出优异的电化学性能和选择性。未来的研究将进一步优化材料的结构和性能，探索其在实际海水中的长期稳定性和铀提取效率，为实现从海水中高效、经济地提取铀提供新的思路。

（研究团队及基金介绍）

聊城大学化学化工学院的老师蔡延萌为该论文的第一作者，袁青副教授，赵金生教授和希腊赛萨利大学的Tsiakaras教授为该论文的通讯作者。该研究工作得到国家自然科学基金和山东省自然科学基金青年项目的支持。