Electrochemical Behavior and Reduction of <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mi>UO</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:math> in LiCl-KCl Molten Salt

Abstract

In this work, we explored the electrochemical behavior and reduction process of uranyl ions <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mtext>UO</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:math> in molten LiCl-KCl eutectic at 773 K. Cyclic voltammetry (CV) and square wave voltammetry (SWV) results showed that the reduction of <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mtext>UO</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:math> ions on the inert W electrode was a three-step process: (1) <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mtext>U</mml:mtext> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mtext>O</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msubsup> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mtext>e</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msup> <mml:mo>↔</mml:mo> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mtext>UO</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msubsup> <mml:mo>,</mml:mo> </mml:math> (2) <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mtext>UO</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msubsup> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mtext>e</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msup> <mml:mo>↔</mml:mo> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mtext>UO</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:math> and (3) <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mtext>UO</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:mn>4</mml:mn> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mtext>e</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msup> <mml:mo>↔</mml:mo> <mml:mtext>U</mml:mtext> <mml:mo>.</mml:mo> </mml:math> Electrolysis experiments further confirmed this reduction mechanism that <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mtext>UO</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:math> ions were reduced to UO 2 on the molybdenum electrode by applying a constant potential of −1.00 V vs Ag/AgCl and subsequently to uranium metal at a more negative potential of −2.35 V vs Ag/AgCl. In addition, <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mtext>UO</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:math> ions could be thoroughly reduced to uranium metal through a 4-h constant current electrolysis at −18 mA cm −2 . Electronic absorption spectroscopy (EAS) and inductively coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP-OES) respectively illustrated that the oxidation state of uranium was unchanged and uranium concentration gradually decreased during the electrolysis. Finally, X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) were used to characterize the phase composition and microstructure of deposited products. Nano-sized UO 2 and U metal particles were successfully obtained by constant potential and current electrolysis. The results of this work further reveal the electrochemical behavior and reduction mechanism of <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:msubsup> <mml:mrow> <mml:mtext>UO</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:math> ions in molten LiCl-KCl, providing a guiding ideology for the pyrochemical reprocessing of oxide spent fuels.

Topics & Concepts