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来自研究机构

从溶液中提取铀和其他金属离子的电化学方法

日期:
2020年1月22日
来源:
加州大学圣巴巴拉分校
简介:
50年前,科学家们偶然发现了他们认为可能成为下一代火箭燃料的东西。碳硼烷——由硼、碳和氢原子聚集在一起形成三维形状的分子——被视为下一代推进剂的可能基础,因为它们在燃烧时能够释放大量的能量。
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50年前,科学家们偶然发现了他们认为可能成为下一代火箭燃料的东西。碳硼烷——由硼、碳和氢原子聚集在一起形成三维形状的分子——被视为下一代推进剂的可能基础,因为它们在燃烧时能够释放大量的能量。

这项技术在当时有潜力增强甚至超越传统的碳氢化合物火箭燃料,是20世纪50年代和60年代大量投资的主题。

但事情并没有像预期的那样发展。

加州大学圣巴巴拉分校化学与生物化学系助理教授加布里埃尔·姆萨纳德说:“事实证明,当你燃烧这些东西时,你实际上会形成大量的沉积物。”除了在燃烧这种所谓的“压缩燃料”时发现的其他问题外,它的残留物还会粘住火箭发动机的部件,因此该项目被取消了。

“所以他们制造了大量的这些化合物,但实际上他们从未使用过它们,”姆萨纳德说。

快进到今天,从医学到纳米工程,这些化合物已经重新流行起来,有着广泛的应用。对于m纳德和他的同事UCSB化学教授Trevor Hayton,以及特拉维夫大学化学教授Roman Dobrovetsky来说,碳硼烷可能是更有效提取铀离子的关键。而这反过来又可以使诸如更好的核废料再处理和从海水中回收铀(和其他金属)等事情成为可能。

他们的研究——将电化学碳硼烷工艺应用于铀提取的第一个例子——发表在该杂志上的一篇论文(链接)上自然

该技术的关键是簇分子的多功能性。根据它们的组成,这些结构可以类似于封闭的笼子,或者更开放的巢,这是由于化合物的氧化还原活性的控制——它的提供或获得电子的准备。这允许控制金属离子的捕获和释放,这在本研究中应用于铀离子。

海顿说:“这里的一大进步是这种‘捕捉和释放’策略,你可以在两种状态之间切换,一种状态绑定金属,另一种状态释放金属。”

传统的工艺,比如流行的提取钚和铀的PUREX工艺,严重依赖溶剂、萃取剂和大量的加工。

“基本上,你可以说这是一种浪费。”“在我们的案例中,我们可以用电化学方法来做这件事——我们可以通过开关来捕获和释放铀。

“实际发生的情况是,”姆萨纳德补充说,“笼子打开了。”具体来说,以前封闭的邻碳硼烷变成了一个开放的nido-(“巢”)碳硼烷,能够捕获带正电的铀离子。

然而,传统上,提取铀离子的控制释放并不是那么简单,而且可能有些混乱。根据研究人员的说法,这种方法“不太成熟,而且可能困难、昂贵,而且对初始材料具有破坏性。”

但在这里,研究人员已经设计出一种可靠而有效地在开放和封闭碳硼烷之间来回切换的方法,利用电力。通过将电极浸在双相系统的有机部分中施加电势,碳硼烷可以分别接收和提供打开和关闭以及捕获和释放铀所需的电子。

他说:“基本上,你可以打开它,捕获铀,再关上,然后释放铀。他补充说,这些分子可以多次使用。

这项技术可用于几种需要提取铀和其他金属离子的应用。一个领域是核后处理,即从废核材料中提取铀和其他放射性“反铀”元素进行储存和再利用(PUREX过程)。

他说:“问题是这些反式铀元素的放射性很强,我们需要能够长时间储存这些元素,因为它们基本上是非常危险的。”他解释说,这种电化学方法可以使铀从钚中分离出来,类似于PUREX过程。提取出来的铀可以浓缩,然后放回反应堆;其他高放射性废物可以通过嬗变来降低其放射性。

此外,电化学过程也可以应用于从海水中提取铀,这将减轻目前所有铀来源的陆地矿山的压力。

“海洋中溶解的铀大约是所有地雷中铀含量的一千倍。”同样,锂——另一种在海水中大量存在的贵重金属——也可以通过这种方式提取,研究人员计划在不久的将来开展这一研究方向。

海顿说:“这为我们提供了另一种工具,可以操纵金属离子,处理核废料或从海洋中捕获金属。”“这是实现这类转变的新策略和新方法。”

这项研究也由UCSB的Megan Keener(第一作者),Camden Hunt和Timothy G. Carroll进行;以及特拉维夫大学的Vladimir Kampel。

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故事来源:

材料所提供的加州大学圣巴巴拉分校注:内容可能会根据风格和长度进行编辑。


期刊引用

  1. Megan Keener, Camden Hunt, Timothy G. Carroll, Vladimir Kampel, Roman Dobrovetsky, Trevor W. Hayton, Gabriel m纳德。用于铀捕获和释放的氧化还原可切换碳硼烷自然, 2020;DOI:10.1038 / s41586 - 019 - 1926 - 4

引用此页

加州大学圣巴巴拉分校。从溶液中提取铀和其他金属离子的电化学方法。《科学日报》。《科学日报》,2020年1月22日。< www.koonmotors.com/releases/2020/01/200122150030.htm >。
加州大学圣巴巴拉分校。(2020年1月22日)。从溶液中提取铀和其他金属离子的电化学方法。《科学日报》。2023年6月19日检索自www.koonmotors.com/releases/2020/01/200122150030.htm
加州大学圣巴巴拉分校。从溶液中提取铀和其他金属离子的电化学方法。《科学日报》。www.koonmotors.com/releases/2020/01/200122150030.htm(2023年6月19日访问)。

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