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熔盐电解精炼作为核燃料后处理与稀土提纯的关键技术，对构建安全可持续的能源体系具有重要价值。然而，传统电分离依赖沉积电位差的固有局限，导致电化学性质相似的锕系（An）与镧系（Ln）元素分离因子低、速率慢。课题组前期研究发现，采用活性铝阴极能够使An/Ln的沉积电位差显著扩大至约200 mV。相较于其他阴极材料，这一改进大幅提升了An与Ln的分离因子。但当利用固态Al阴极进行An-Ln电解分离时，整个分离过程受锕系在固态铝阴极内部的“固-固扩散”步骤控制，导致元素提取速率极为缓慢。因此，在电解分离过程中，如何同步提升分离因子与分离速率，已成为制约活性阴极实际应用的一个关键环节。
针对上述挑战，在上海交通大学核燃料循环与核材料研究所石伟群教授指导下，实验室成员与中山大学中法核工程与技术学院刘奎副教授等合作，创新性地提出了一种“电解共萃-氧化反萃（EOB）”策略 。在LiCl-KCl-KAlCl₄熔盐体系中，该策略成功实现了镧系元素与铀的高效分离。这一策略还成功克服了锕系高温熔盐电解过程中极为严苛的操作条件，包括强腐蚀性、无水无氧环境、放射性以及复杂的电化学条件等。借助原位同步辐射成像（SR - μCT）与衍射（SR - XRD）技术，研究团队直观地揭示了分离过程的内在机理。相关研究成果以“Direct Visualization of f-block Elements Separation through Electrically Driven Alloy Phase Transitions”为题发表于国际顶尖期刊SCIENCE CHINA Chemistry。
相较于其他金属离子，铝离子具有更出色的反萃效率。而氯铝酸钾（KAlCl₄）凭借其优异的热稳定性、低熔点和高沸点特性，既能充当电解共萃取剂，又可作为氧化反萃取剂，避免了外来杂质的引入。通过EOB策略，在12小时内即可成功实现铀与镧、钕的有效分离与回收。在此过程中，U/La与U/Nd的分离因子达到与铝阴极相当的水平（且远超镉阴极），同时分离速率提升了近一个数量级。具体而言，该过程能够以高达86.6%的电流效率，回收熔盐中99.9%的铀；并以91.9%的电流效率，回收熔盐中99.9%的镧和钕。EOB策略显著提高了f区元素的分离效率，实现了稀土元素与锕系元素的有效分离与回收。通过原位SR-μCT和SR-XRD对EOB策略进行直接可视化验证，也为极端条件下的界面化学/电化学相变过程研究，以及传统冶金和材料诊断领域提供了重要参考。
本研究得到了国家杰出青年科学基金、国家自然科学青年基金的支持。同时，本工作的同步辐射SR-μCT实验在北京同步辐射装置（BSRF）的4W1A线站进行 ，HEXRD实验在上海同步辐射装置（SSRF）的BL13SSW线站进行 ，研究团队对上述大型科学装置提供的机时和技术支持表示感谢。
论文信息：YuKe Zhong*, Tan Tan, Kui Liu*, Mincheng Yang, Jianrong Zeng, Lin Wang, Shanfeng Wang, Wanxia Huang, YaLan Liu, DongDong Wang, Weiqun Shi*. Direct Visualization of f-block Elements Separation through Electrically Driven Alloy Phase Transitions. Sci. China. Chem. 2025, accepted.