一种水凝胶提铀电极材料及其制备方法和应用、提铀装置与流程

本申请涉及电极材料制备及提铀处理，且特别涉及一种水凝胶提铀电极材料及其制备方法和应用、提铀装置。

背景技术：

1、海水中的铀是一种极为关键的非常规铀资源，它对于保障核电能够长期稳定地发展起着至关重要的作用。

2、电化学法通过施加电场实现铀酰离子（uo22+）在电极界面的定向富集与还原，弥补了传统吸附材料传质速率慢的缺陷，提升了提铀效率与极低浓度下的提铀性能。但是，目前电化学提铀技术仍面临能耗大、选择性有限及长期稳定性不足等挑战。在当前的技术背景下，传统电化学系统需施加较高过电位以驱动铀还原反应，这容易引发剧烈的析氢副反应、造成显著的能量损耗。同时在高电位条件下，还会导致阴极表面局域ph升高诱导如mg²+、ca²+生成mg(oh)2和ca(oh)2沉淀，导致堵塞电极的活性位点，抑制铀与材料的有效结合。

技术实现思路

1、本申请的目的在于提供一种水凝胶提铀电极材料及其制备方法和应用、提铀装置，可以显著降低提铀电化学反应过程电压，抑制析氢副反应造成的局部ph变化生成竞争金属的共沉淀现象，使得提铀产物更加纯净，可达到高效提铀的目的，且长期稳定性较好。

2、第一方面，本申请提供一种水凝胶提铀电极材料，水凝胶提铀电极材料包括：导电基底和覆盖于导电基底的表面的水凝胶基体；其中，水凝胶基体内分散负载有铁纳米粒子，且水凝胶基体具有吸附铀酰离子的功能基团。

3、本申请提供的水凝胶提铀电极材料应用于外加电压提铀，在外加电压的驱动下，铀酰离子向电极材料定向运动，由于水凝胶基体具有吸附铀酰离子的功能基团且水凝胶的三维空间网状结构赋予较多的吸附负载位点，铀酰离子能够被快速且稳定地负载于电极材料的表面，实现铀的高效富集；水凝胶的三维空间网络为铁纳米粒子的分散负载提供空间，利用铁纳米粒子fe0的强还原性，主动供给电子，将u(vi)固定并还原为不溶性的u(iv)氧化物并沉积，而fe0被氧化为高价铁fe(iii)/fe(ii)；由于生成的fe(iii)/fe(ii)的还原电位在-0.4~-0.2 v（she）之间，比铀的还原电位-0.9~-0.7 v（vs she）更正，在施加电场下，被氧化为高价铁由于其极低的还原电位，被电场优先还原为fe0，实现了fe0还原活性位点的循环再生；本申请通过水凝胶提铀电极材料中fe0主动供给电子协同外加电压，可显著降低提铀电化学反应过程电压，抑制析氢副反应造成的竞争金属的共沉淀现象，使得提铀产物更加纯净；因此，本申请可达到高效提铀的目的，且长期稳定性较好。

4、结合第一方面，本申请可选的实施方式中，功能基团为磺酸基和胺肟基。

5、在上述技术方案中，上述功能基团能可与铀酰离子形成配位键，使得水凝胶提铀电极材料对铀酰离子的吸附更稳定，有利于进一步实现高效提铀。

6、结合第一方面，本申请可选的实施方式中，水凝胶基体的化学结构式如下：

7、。

8、在上述技术方案中，水凝胶提铀电极材料可对铀酰离子稳定吸附，有利于进一步实现高效提铀。

9、结合第一方面，本申请可选的实施方式中，导电基底为石墨毡基底或泡沫镍基底。

10、第二方面，本申请提供一种如上述第一方面任一项提供的水凝胶提铀电极材料的制备方法，该方法包括：将导电基底浸入前驱体溶液中，以使前驱体溶液发生聚合反应生成覆盖于导电基底的表面的水凝胶基体；其中，前驱体溶液中分散有铁纳米粒子。

11、本申请提供的水凝胶提铀电极材料的制备方法，可以获得自生长水凝胶电极材料，该过程不需要像传统粉末电极制备中将电极浆料涂覆在导电基底上的操作，可以减少粘接剂以及导电剂的使用量，进而有效地提升离子的可及率以及电子的传输效率；因此，本申请的水凝胶提铀电极材料的制备方法更加简便、高效、更易进行放大制备生产。

12、结合第二方面，本申请可选的实施方式中，水凝胶提铀电极材料的制备方法包括：将丙烯腈、甲基丙烯酰乙基磺基甜菜碱与水进行第一搅拌，得到第一体系；向第一体系中加入n,n-亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵并进行第二搅拌，得到第二体系；向第二体系中加入四甲基乙二胺并进行第三搅拌，得到第三体系；向第三体系中加入铁纳米粒子，在惰性气氛下进行第四搅拌，得到前驱体溶液；将导电基底浸入前驱体溶液中，在惰性气氛下静置，以使前驱体溶液发生聚合反应生成覆盖于导电基底的表面的水凝胶基体，得到中间体；将中间体置于弱碱性的羟胺溶液中进行胺肟化反应，清洗干燥后得到水凝胶提铀电极材料。

13、在上述技术方案中，减少了传统提铀材料需要再经碱处理的步骤，制备方法更加简便、高效、更易进行放大制备生产。

14、结合第二方面，本申请可选的实施方式中，第一搅拌的时间为20min~30min；和/或，静置的时间为300min~500min；和/或，胺肟化反应的时间为840min~960min；和/或，胺肟化反应的温度为65℃~75℃。

15、结合第二方面，本申请可选的实施方式中，丙烯腈、甲基丙烯酰乙基磺基甜菜碱、n,n-亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸铵、四甲基乙二胺与铁纳米粒子的质量比为(14~16)：(30~35)：(1~2)：(0.4~1)：(0.5~1)：(1.5~2.5)。

16、第三方面，本申请提供一种如上述第一方面任一项提供的水凝胶提铀电极材料在提铀中的应用，将水凝胶提铀电极材料作为工作电极，在施加电场下进行提铀处理。

17、将水凝胶提铀电极材料作为工作电极，在施加电场下进行提铀处理，通过水凝胶提铀电极材料中fe0主动供给电子协同外加电压，可显著降低提铀电化学反应过程电压，抑制析氢副反应造成的竞争金属的共沉淀现象，使得提铀产物更加纯净；可达到高效提铀的目的，且长期稳定性较好。

18、第四方面，本申请提供一种提铀装置，该装置包括：电解池、电源、工作电极和对电极；其中，工作电极和对电极均置于电解池内，工作电极的材质为如上述第一方面任一项提供的水凝胶提铀电极材料，电解池用于容纳待提铀溶液。

19、采用本申请提供的提铀装置进行提铀，无需施加较高的电压即可实现高效提铀，可抑制析氢副反应造成的竞争金属的共沉淀现象，使得提铀产物更加纯净；可达到高效提铀的目的，且长期稳定性较好。

20、可选地，对电极的材质为铂。

1.一种水凝胶提铀电极材料，其特征在于，包括：导电基底和覆盖于所述导电基底的表面的水凝胶基体；

2.根据权利要求1所述的水凝胶提铀电极材料，其特征在于，所述功能基团为磺酸基和胺肟基。

3.根据权利要求2所述的水凝胶提铀电极材料，其特征在于，所述水凝胶基体的化学结构式如下：

4.根据权利要求1~3中任一项所述的水凝胶提铀电极材料，其特征在于，所述导电基底为石墨毡基底或泡沫镍基底。

5.一种如权利要求1~4中任一项所述的水凝胶提铀电极材料的制备方法，其特征在于，包括：将导电基底浸入前驱体溶液中，以使所述前驱体溶液发生聚合反应生成覆盖于所述导电基底的表面的水凝胶基体；

6.根据权利要求5所述的水凝胶提铀电极材料的制备方法，其特征在于，所述水凝胶提铀电极材料的制备方法包括：

7.根据权利要求6所述的水凝胶提铀电极材料的制备方法，其特征在于，所述第一搅拌的时间为20min~30min；

8.根据权利要求6所述的水凝胶提铀电极材料的制备方法，其特征在于，所述丙烯腈、所述甲基丙烯酰乙基磺基甜菜碱、所述n,n-亚甲基双丙烯酰胺、所述过硫酸铵、所述四甲基乙二胺与所述铁纳米粒子的质量比为(14~16)：(30~35)：(1~2)：(0.4~1)：(0.5~1)：(1.5~2.5)。

9.根据权利要求1~4中任一项所述的水凝胶提铀电极材料在提铀中的应用，其特征在于，采用如权利要求1~4中任一项所述的水凝胶提铀电极材料作为工作电极，在施加电场下进行提铀处理。

10.一种提铀装置，其特征在于，包括：电解池、电源、工作电极和对电极；其中，所述工作电极和所述对电极均置于所述电解池内，所述工作电极的材质为如权利要求1~4中任一项所述的水凝胶提铀电极材料，所述电解池用于容纳待提铀溶液；