HNO3中でのU(VI)の効率的な電気化学的還元に有望な電極触媒としてのRGOおよびRGO‑Ptの役割

原子力廃棄物を有用な資源へ

原子力は温室効果ガスをほとんど排出せず大量の電力を供給できますが、扱いに困る使用済み燃料を残します。この燃料には、きれいかつ安全に分離できれば再利用可能な価値あるウランやプルトニウムが含まれています。本稿で扱う論文は、再処理施設で必要となる特定のウラン形態を調製するより賢い方法を検討しており、近代的な炭素系材料を用いて処理をより迅速かつ廃棄物を減らして行う道を示しています。

なぜこの特定のウランが重要なのか

使用済み燃料棒が原子炉から取り出されると、ウランやプルトニウム、そして多数の高い放射能を持つ副生成物が混在しています。多くの国ではPUREXと呼ばれる化学的手法を用いてウランとプルトニウムを回収し、再利用すると同時に廃棄物の長期的な危険性を低減しています。このプロセスの重要な段階はU(IV)という形態のウランに依存しており、U(IV)はプルトニウムをウランから分離可能な状態に変える補助的役割を果たします。十分な量のU(IV)を安定して、かつ廃液に余分な化学物質を追加せずに作ることが、核燃料の効率的なリサイクルには不可欠です。

現在の電極の限界

現在の再処理施設では、ウランを含む硝酸溶液に電流を流してU(IV)を生成することがよく行われます。負極にはチタンや場合によっては白金の金属板が使われ、そこでウランが還元されます。しかしこれらの材料は、反応が実用的な速度で進行するために大きな電圧の“押し”を必要とします。そのような高電圧では溶液が水素ガスを発生しやすくなり、ウランの変換に注力できなくなります。この副反応は電力の浪費を招き、実際にU(IV)生成に使われる電流の割合（ファラデー効率）を低下させます。

微小な金属助触媒を配した新しい炭素シート

研究者らは、還元された酸化グラフェン（RGO）と呼ばれる薄い炭素シートで作った別種の電極を検討しました。これらのシートは大きな表面積と良好な電気的接触を提供します。さらに、炭素表面に微小な白金粒子を均一に散布したRGO‑Ptも作製し、白金含有量を制御しました。各種の顕微鏡・分光技術を用いて、炭素シートが良好に形成されていること、白金粒子が数ナノメートル径であること、そして両成分が緊密に結合していることを確認しました。

これら新電極が反応に与える変化

詳細な電位掃引と電流・電気抵抗の測定により、ウランはRGO上での挙動が金属上とは異なることが示されました。標準的なチタンや白金上では、ウランは中間体を経る二段階の還元を示し、この中間体が反応を遅らせることがあります。RGO上では、U(VI)からU(IV)への同じ変化が酸素含有基を持つ炭素表面が短命の中間体を安定化することで一段階で進行します。この一段ステップ経路と全体的に低い抵抗により、反応はより低い電圧で進行可能です。さらに白金ナノ粒子を加えると、適度な電圧での電流がさらに増加しますが、その分水素生成も促進されがちです。

速度と望ましくない気体の折り合い

各材料で水素気泡が生成されやすいかどうかを比較したところ、素のRGOはこの副反応を強く抑制することが分かりました。一方RGO‑Ptや純白金は水素生成に非常に有利であり、これは一長一短です：水素は一部の技術では有用ですが、ここではウランから電流を奪うため有害です。したがって最適な電極の選択は運転条件に依存します。比較的低電圧かつ中程度の生産率で運転する場合はRGO‑Ptが高速性を示しますが、極めて高い出力を目指す高電圧条件では素のRGOが水素を抑え、より多くの電力をU(IV)生成に向けられるため有利です。

核燃料再処理への意義

一般向けの要点としては、微細に設計された炭素シートは、微量の金属粒子を伴う／伴わないを問わず、重要な核化学反応をより効率的な経路へ導けるということです。エネルギーコストを下げ、無駄なガス発生を抑えることで、RGOベースの電極は将来の再処理施設が必要なウラン形態をよりクリーンかつ大規模に生成するのに役立ち得ます。これにより、核燃料のより安全で資源意識の高いリサイクルが促進され、長寿命廃棄物の管理を改善しつつ低炭素電力への貢献が期待されます。

引用: 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

キーワード: ウラン還元, 電気触媒, 核燃料再処理, グラフェン電極, PUREXプロセス