科研动态︱我院刘奎副教授团队在熔盐电化学前沿研究中取得系列突破

      近日，学院刘奎副教授团队在熔盐电化学领域取得两项重要进展，成果分别发表于国际知名中科院一区Top期刊《Advanced Science》与《Science China Chemistry》。研究不仅为极端条件下电化学行为的原位观测提供了新方法，也为乏燃料后处理及稀土元素分离提供了新的解决方案。

      在铀枝晶的形成与生长控制机制研究中，团队自主设计并搭建了高温熔盐毛细管电化学原位实验装置，结合同步辐射X射线微计算机断层成像（SR-μCT）与高能X射线衍射（HEXRD）技术，实现了对LiCl-KCl-UCl₃体系中铀枝晶形成、扩散层演化和晶体取向的动态解析。结果揭示了有限离子扩散与择优晶面取向对铀枝晶形貌的决定性作用，为制定枝晶抑制策略提供了理论依据。该研究工作由学院刘奎副教授团队主导完成，标志着在极端条件下电化学过程的原位研究方法上取得了积极进展。相关研究成果以Operando characterization of uranium dendrite growth in high temperature molten salt electrochemistry by synchrotron X-ray tomography and diffraction）为题发表在Advanced Science。

图1， 原位SR-μCT/HEXRD联用的实验装置示意图

      在f区元素高效分离研究中，刘奎副教授作为主要参与者之一，负责并主导了其中的同步辐射原位成像与衍射实验设计与实施，以及关键数据分析工作。该研究提出了“电解共萃–氧化反萃（EOB）”新策略，在LiCl-KCl-KAlCl₄体系中实现了铀与镧、钕等元素的高效分离与回收，分离因子与速率均显著提升。通过原位表征手段，研究首次直观揭示了EOB过程中合金化与相变机理，克服了传统工艺中扩散受限导致分离缓慢的瓶颈。这一成果为稀土与锕系元素分离技术的发展提供了新的解决方案。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Science China Chemistry。

图2 “电解共萃-氧化反萃”示意图

      在本系列研究中，我院博士研究生谭覃在实验开展、数据处理与结果分析方面做出了重要贡献。

      本系列高温熔盐原位的前沿研究在2021年就已开始构思，并于2023年依托中山大学申请了一项基于毛细管的高温熔盐电化学池及其X射线表征方法的发明专利（CN117092177B）。该专利为实验装置和方法提供了关键技术支撑，也为后续成果的取得奠定了坚实基础。两项研究的成功，不仅拓展了熔盐电化学研究的实验边界，也为未来乏燃料后处理、稀土分离与先进核能体系发展提供了技术储备和科学依据。

      本研究得到了国家自然科学青年基金、国家重点研发计划青年科学家项目，中国博士后创新人才支持计划等科研项目以及中山大学设备更新改造专项的资助。研究团队特别感谢中国科学院高能物理研究所的王山峰副高级工程师、黄万霞研究员、张凯研究员和钟宇科博士；上海同步辐射光源曾建荣高级工程师；中国科学院宁波材料所的波涛副研究员；上海交通大学的王亚飞副教授和石伟群教授等科研合作团队的大力支持。

发表文章信息：

1，Liu, K.=*, Tan, T.=, Zhong, Y., Wang, Y.*, Bo, T., Bai, Z., Wang, S., Zhang, K., Huang, W., Zeng, J. and Shi, W.*, 2025. Advanced Science, p.e02345.

2，YuKe Zhong*, Tan Tan, Kui Liu*,Mincheng Yang, Jianrong Zeng, Lin Wang, Shanfeng Wang, Wanxia Huang, YaLan Liu, DongDong Wang, Weiqun Shi*. 2025. Sci. China. Chem. , accepted.

图文：谭覃

初审：刘奎、周越

审核：刘李云

审核发布：徐瑶