دور RGO وRGO-Pt كمحفز كهربائي جذاب للاختزال الكهركيميائي الفعال لـ U(VI) في HNO3

تحويل النفايات النووية إلى مورد مفيد

يمكن للطاقة النووية أن توفر قدرًا كبيرًا من الكهرباء دون انبعاث غازات الاحتباس الحراري، لكنها تترك وراءها وقودًا مستهلكًا يصعب إدارته. هذا الوقود لا يزال يحتوي على يورانيوم وبلوتونيوم ثمينين يمكن إعادة تدويرهما إذا أمكن فصلهما بشكل نظيف وآمن. الورقة الموصوفة هنا تناقش طريقة أذكى لتحضير شكل خاص من اليورانيوم المطلوب في محطات إعادة المعالجة، باستخدام مواد كربونية حديثة لجعل العملية أسرع وأقل إنتاجًا للنفايات.

لماذا هذا اليورانيوم الخاص مهم

عند خروج قضبان الوقود المستهلكة من المفاعل، تحتوي على مزيج من اليورانيوم والبلوتونيوم والعديد من المنتجات الثانوية شديدة الإشعاع. تستخدم العديد من الدول مخططًا كيميائيًا يسمى عملية PUREX لاستعادة اليورانيوم والبلوتونيوم لإعادة استخدامهما ولتقليص الخطر طويل الأمد للنفايات. خطوة أساسية في هذه العملية تعتمد على شكل من اليورانيوم يُدعى U(IV)، والذي يعمل كمساعد يحول البلوتونيوم إلى حالة يمكن فصلها عن اليورانيوم. لذلك، فإن إنتاج كمية كافية من U(IV) بشكل موثوق، وبدون إضافة مواد كيميائية إضافية إلى مجرى النفايات، أمر محوري لكفاءة إعادة تدوير الوقود النووي.

حدود الأقطاب الحالية

غالبًا ما تُنتج محطات إعادة المعالجة الحالية U(IV) بتطبيق تيار كهربائي عبر محلول حمض النيتريك الذي يحتوي اليورانيوم. وتعمل صفائح معدنية مصنوعة من التيتانيوم، أو أحيانًا البلاتين، كقطب سالب يتم عنده اختزال اليورانيوم إلى U(IV). لكن هذه المواد تتطلب دفعة جهد كبيرة قبل أن تتقدم التفاعل بسرعة مفيدة. عند تلك الفولتية العالية، تشجع أيضًا إطلاق غاز الهيدروجين بدلاً من التركيز على تحويل اليورانيوم. هذه التفاعلات الجانبية تهدر الكهرباء وتخفض جزء التيار الذي يذهب فعلاً لصنع U(IV)، وهو مقياس يعرف بالكفاءة الفارادية.

صفائح كربونية جديدة مع مساعدين معدنيين دقيقة

استكشف الباحثون نوعًا مختلفًا من الأقطاب المصنوعة من صفائح رقيقة من الكربون تعرف بأكسيد الجرافين المختزل، أو RGO. توفر هذه الصفائح مساحة سطح كبيرة واتصالًا كهربائيًا جيدًا. كما صنع الفريق نسخًا حيث وُزعت جزيئات بلاتين صغيرة بشكل متساوٍ عبر الكربون، مشكلة مواد RGO-Pt بمحتوى بلاتين مضبوط. باستخدام مجموعة من أدوات المجهر والطيف، أكدوا أن صفائح الكربون تكونت جيدًا، وأن جزيئات البلاتين كانت بعرض بضعة أجزاء من المليار من المتر، وأن العنصرين كانا متكاملين بإحكام.

كيف تغيّر هذه الأقطاب التفاعل

من خلال إجراء مسوحات فولتية مفصلة وقياس التيار والمقاومة الكهربائية، أظهر المؤلفون أن اليورانيوم يتصرف بشكل مختلف على RGO منه على المعادن العادية. على التيتانيوم أو البلاتين القياسيين، يُختزل اليورانيوم في مرحلتين مميزتين، مارًا بشكل وسيط يمكن أن يبطئ العملية. على RGO، يحدث نفس التحول من U(VI) إلى U(IV) في خطوة واحدة مجمعة، تساعدها مواقع تحتوي على الأكسجين على سطح الكربون التي تُثبّت المتوسط الزائل. هذه المسار ذو الخطوة الواحدة، إلى جانب مقاومة إجمالية أقل، يعني أن التفاعل يمكن أن يحدث عند فولتية أقل. عندما تُضاف جسيمات نانوية من البلاتين إلى الكربون، يصبح التيار عند فولتيات متواضعة أعلى، رغم أن ذلك يميل أيضًا إلى تسريع تكوين الهيدروجين.

موازنة السرعة والغاز غير المرغوب

قارن البحث سهولة تكون فقاعات الهيدروجين على كل مادة ووجد أن RGO العاري يقمع بشدة هذا التفاعل الجانبي. أما RGO-Pt والبلاتين النقي، فهما، بالمقابل، جيدان جدًا في إنتاج الهيدروجين، وهو بمثابة نعمة ونقمة: مفيد في بعض التقنيات لكنه ضار هنا لأنه يسلب التيار المخصص لليورانيوم. هذا يعني أن اختيار القطب الأفضل يعتمد على ظروف التشغيل. إذا أُجريت العملية عند فولتية منخفضة نسبيًا ومعدلات إنتاج معتدلة، يقدم RGO-Pt سرعة عالية. عند فولتيات أعلى، حيث قد ترغب محطات إعادة المعالجة في إنتاجية كبيرة جدًا، يكون RGO العاري أكثر جاذبية لأنه يحد من الهيدروجين ويوجه مزيدًا من الطاقة الكهربائية لصنع U(IV).

ما يعنيه هذا لإعادة تدوير الوقود النووي

للقارئ العام، الرسالة الأساسية هي أن صفائح الكربون المصممة بعناية، مع أو بدون جزيئات معدنية دقيقة، قادرة على توجيه خطوة كيميائية نووية مهمة على مسار أكثر كفاءة. بخفض تكلفة الطاقة والحد من تكوّن الغازات المهدرة، قد تساعد الأقطاب القائمة على RGO محطات إعادة المعالجة المستقبلية على إنتاج شكل اليورانيوم المطلوب بشكل أنظف وعلى نطاق أكبر. وهذا، بدوره، يدعم إعادة تدوير الوقود النووي بشكل أكثر أمانًا وترشيدًا للموارد، مما يساعد الطاقة النووية على المساهمة في كهرباء منخفضة الكربون مع ضبط أفضل لنفاياتها طويلة العمر.

الاستشهاد: Pal, K.K., Ghosh, C., Pandian, R. et al. Role of RGO and RGO-Pt as an attractive electrocatalyst for efficient electrochemical reduction of U(VI) in HNO₃. Sci Rep 16, 15729 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-32358-3

الكلمات المفتاحية: اختزال اليورانيوم, التحفيز الكهركيميائي, إعادة معالجة الوقود النووي, أقطاب الجرافين, عملية PUREX