科研進展
水體中鈾的高效、持續(xù)光催化提取研究取得新進展
海洋中鈾儲量約45億噸，是已探明陸地鈾資源的近千倍，從海水中高效提取鈾將助力核能可持續(xù)發(fā)展。與此同時，核工業(yè)活動中產(chǎn)生的含鈾廢物因其放射性和化學(xué)毒性對生態(tài)環(huán)境構(gòu)成潛在威脅。所以，從戰(zhàn)略資源回收和生態(tài)環(huán)境安全角度出發(fā)，亟需發(fā)展穩(wěn)定、高效、綠色的提鈾技術(shù)。光催化法能夠?qū)?/span>U(VI)還原為U(IV)，進而實現(xiàn)水體中鈾的高效分離和提取。然而，光催化反應(yīng)強烈依賴于太陽光驅(qū)動，當(dāng)光照停止時，鈾的光催化還原無法進行。因此，開發(fā)在黑暗條件下仍能持續(xù)進行鈾催化還原的光催化材料/體系具有重要的現(xiàn)實意義。
針對該關(guān)鍵技術(shù)瓶頸問題，中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院（以下簡稱“西北研究院”）范橋輝研究團隊成功構(gòu)筑了氰基和鉀離子共修飾的聚庚嗪酰亞胺（K-CN-PHI），利用鉀離子將光生電子穩(wěn)定在氰基位置，實現(xiàn)了黑暗條件下水體中鈾的催化還原和提取。研究結(jié)果表明，在可見光驅(qū)動下，K-CN-PHI催化劑可在5 min內(nèi)將0.2 mM U(VI)完全還原，反應(yīng)速率高達(dá)0.89 min-1，為普通氮化碳（PCN）的47倍（圖1a）。特別是，在光激發(fā)下K-CN-PHI催化劑可將光生電子富集于氰基位置，形成了長時間穩(wěn)定的自由基（穩(wěn)定時間可達(dá)3天）。當(dāng)無光照時，該催化體系U(VI)可被該自由基快速還原為U(IV)（1 min以內(nèi)）（圖1b-d）。該研究成果成功突破了無光照下鈾的持續(xù)、高效催化還原，為水體中鈾的“全天候”、可持續(xù)分離提取提供了新的解決方案，進一步推進了光催化法在水體鈾資源提取中的實際應(yīng)用。
相關(guān)研究成果以New Strategy for the Persistent Photocatalytic Reduction of U(VI): Utilization and Storage of Solar Energy in K+ and Cyano Co-Decorated Poly(Heptazine Imide)為題發(fā)表于Advanced Science。博士生王晶晶為論文第一作者，西北研究院范橋輝研究員、李平副研究員為通訊作者。該研究獲國家自然科學(xué)基金（21876172）、中科院青年創(chuàng)新促進會、中科院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團隊計劃、自然資源部黃河上游戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源重點實驗室和甘肅省油氣資源研究重點實驗室共同資助。
圖1 (a) K-CN-PHI和PCN對U(VI)光催化還原效果，(b) 不同光照和黑暗時間下的EPR光譜，(c) K-CN-PHI對U(VI)暗光催化還原效果，(d) 光暗催化鈾還原示意圖
