Важный прогресс, достигнутый Шанхайским институтом прикладной физики в области проектирования электролизёров и исследования электрокаталитических материалов

В последнее время Всекитайская ключевая лаборатория ториевой ядерной энергии деления Шанхайского института прикладной физики Китайской академии наук добилась важного прогресса в области проектирования мембранно-разделительных электролизёров и электрокаталитических материалов. Исследователи объединили проектирование реактора-электролизёра с инновациями в области электрокаталитических материалов и разработали анионообменную мембранно-разделительную электролизную систему H-типа на основе непористых металл-органических каркасных материалов (MOFs), обеспечивающую высокоэффективную электрохимическую рекуперацию урановых ресурсов и полную деградацию органических эфирных растворителей в урансодержащих органических эфирных сточных водах. Соответствующие результаты под названием “Nonporous Metal-Organic Framework Enables Record-High Uranium Extraction and Complete Diglyme Degradation” опубликованы в ведущем международном журнале в области материаловедения Advanced Materials.

Ядерная энергетика как стабильный низкоуглеродный источник энергии приобретает всё более важное стратегическое значение. Однако на этапах производства ядерного топлива, переработки отработавшего ядерного топлива, а также эксплуатации и вывода из эксплуатации ядерных установок образуется большое количество урансодержащих сточных вод. Используемый на стадии химической дезактивации органический моющий реагент диглим (диэтиленгликольдиметиловый эфир) имеет высокую температуру кипения, химически стабилен, трудно поддаётся естественной деградации и легко образует устойчивые комплексы с ионами уранила, что приводит к взаимному переплетению задач рекуперации урановых ресурсов и борьбы с органическим загрязнением, крайне затрудняя их решение. Традиционные электрокаталитические материалы для извлечения урана в большинстве своём полагаются на пористую структуру с высокой удельной поверхностью, однако в сложных условиях эксплуатации сталкиваются с такими проблемами, как закупоривание пор и дезактивация структуры, и при этом не способны одновременно обрабатывать сосуществующие органические вещества. Настоящее исследование, исходя из целостного проектирования электролизёра, предлагает синергетическую стратегию “непористый электродный материал + мембранно-разделительный электролизёр”: в качестве катодного электрокаталитического материала используется непористый MOF (CuTTB-3), анодная и катодная камеры разделены анионообменной мембраной с образованием электролизёра H-типа, а в качестве анодного материала применяется коммерческая платиновая пластина, что пространственно разграничивает катодный захват уранила и анодное окисление органического эфира (рис. 1).

Такое пространственное разделение принципиально устраняет помехи промежуточных продуктов деградации органического эфира катодному извлечению урана, позволяя системе в сложных сточных водах с высокой концентрацией уранила и органического эфира обеспечивать синергетическое высокоэффективное функционирование рекуперации урана и деградации органического эфира: эффективность извлечения урана в течение 1 часа достигает 99,8%, совокупная ёмкость извлечения и скорость извлечения обновляют рекорды среди известных материалов, одновременно достигается глубокая минерализация органического эфира. С применением комплекса методов, включая in situ рентгеновскую абсорбционную спектроскопию, in situ ИК/рамановскую спектроскопию и другие, выяснен механизм извлечения урана “поверхностное обогащение − локальная щелочная гидролитическая полимеризация − отделение твёрдой фазы” и путь анодного окислительного разложения органического эфира, подтверждена структурная устойчивость непористого каркаса в электрохимических условиях эксплуатации, а также то, что именно непористая структура, а не просто высокая пористость, является ключом к высокоэффективному и устойчивому электрохимическому извлечению урана. Таким образом, электролизёр становится узлом, связывающим энергию и ресурсы: при питании от ядерной и возобновляемой электроэнергии становится возможным “извлечение урана электричеством и обезвреживание отходов электричеством”, что открывает масштабируемый путь к снижению зависимости от природных урановых руд и построению передовой энергетической системы с взаимодополняющими источниками энергии.

Первым автором статьи является Люй Интун, докторант совместной подготовки Шанхайского института прикладной физики и Юго-Западного университета науки и технологий; авторами-корреспондентами — научный сотрудник Чжан Линьцзюань, младший научный сотрудник Ли Цзыцзянь и научный сотрудник (Институт материаловедения Китайской академии инженерной физики) Шуай Маобин. Исследование поддержано Всекитайской ключевой лабораторией ториевой ядерной энергии деления, Стратегической пилотной программой Китайской академии наук, Программой молодых восходящих талантов Шанхайского филиала Китайской академии наук, Национальным фондом естественных наук Китая, Национальной программой ключевых исследований и разработок и другими проектами, а также получило руководство и помощь от научного сотрудника Ху Чживэя из Института химической физики твёрдого тела Общества Макса Планка (Германия).