Hvordan forbedrer oksygenfeil ytelsen til TiO2@RGO aerogel for utskilling av uran?

TiO2-basert fotokatalyse har lenge vært ansett som en effektiv metode for fjerning av tungmetaller og andre forurensende stoffer fra miljøet, og utviklingen av hybridmaterialer har gjort denne prosessen enda mer effektiv. En nylig oppdagelse i forskningen om TiO2 (anatase) er hvordan integreringen av MXene-basert TiO2 (TiO2(M)) i kombinasjon med redusert grafenoksid (RGO) kan forbedre både fotokatalytisk aktivitet og stabilitet i prosesser som fjerning av uran fra forurenset vann. Dette kapittelet undersøker de strukturelle og optiske egenskapene til TiO2(M)@RGO aerogel og hvordan tilstedeværelsen av oksygenfeil (OV) påvirker materialets ytelse.

XPS-analyse avslørte at TiO2(M)@RGO aerogel inneholdt flere kjemiske grupper, inkludert –C—C, –C—O og –O–C=O, som var i stand til å opprettholde strukturelle enheter etter hydrotermisk reaksjon. En viktig observasjon var også tilstedeværelsen av oksygenfeil (OV) i TiO2(M) som ble bekreftet gjennom XPS og ESR-målinger. TiO2(M)@RGO aerogel viste et betydelig høyere ESR-signal ved g = 2,003 sammenlignet med kommersiell TiO2, noe som indikerer en større molekylær mengde oksygenfeil. Dette er en kritisk faktor i fotokatalytiske reaksjoner, da oksygenfeil fremmer separasjon av ladningsbærere, noe som fører til økt effektivitet i fotokatalyse.

Fotokjemisk karakterisering viste at både TiO2 og TiO2(M) har gode lyseabsorpsjonsegenskaper i området 300–700 nm, men at introduksjonen av oksygenfeil i TiO2(M) forlenger absorpsjonsområdet til å inkludere nær-infrarødt lys. Dette er et viktig skritt mot å gjøre TiO2-baserte materialer mer effektive i solenergi-drevne fotokatalytiske prosesser. Bandgapene for TiO2 og TiO2(M) var henholdsvis 2,97 eV og 2,88 eV, noe som indikerer at OV gir en mulighet for å justere bandgapet til et mer ideelt nivå for fotokatalytisk aktivitet.

En annen viktig faktor er separasjonen av fotogenererte ladningsbærere, som er en primær faktor for å bestemme effektiviteten til fotokatalysatorer. TiO2(M)@RGO aerogel viste et svakere PL-signal enn både TiO2 og TiO2(M), noe som tyder på en mer effektiv separasjon av elektron-hull-par, og dermed en høyere aktivitet i fotokatalytiske reaksjoner. Dette er særlig viktig for reduksjon av uran (U(VI)) til lavere oksidasjonstrinn (U(IV)) i fotokatalytiske prosesser.

I eksperimenter som testet reduksjonen av uran (U(VI)) under både mørke og lysbetingelser, viste TiO2(M)@RGO aerogel en betydelig forbedring i fjerningseffektivitet sammenlignet med både kommersiell TiO2 og TiO2(M). Under lysforhold oppnådde TiO2(M)@RGO en imponerende 95,7% fjerning av U(VI) etter 60 minutters eksponering, langt høyere enn kommersiell TiO2 (56,7%) og TiO2(M) (73,7%). Dette kan tilskrives både tilstedeværelsen av OV og den synergistiske effekten mellom TiO2 og RGO, som fremmer raskere reaksjonshastigheter og økt effektivitet i reduksjonen av uran.

En annen bemerkelsesverdig egenskap ved TiO2(M)@RGO aerogel er dets evne til å opprettholde høy ytelse over flere sykluser. I seks gjentatte eksperimenter viste materialet utmerket stabilitet og opprettholdt en fjerningseffektivitet på over 90% i hver syklus. Denne sykliske stabiliteten gjør det til et attraktivt alternativ for bruk i langsiktige vannbehandlingsprosesser.

Det er også viktig å merke seg at TiO2(M)@RGO aerogel har et bredt spekter av potensielle anvendelser utover uranreduksjon. De samme prinsippene som gjør det effektivt for uranfjerning kan også utnyttes for å fjerne andre tungmetaller og miljøgifter, samt i solenergiapplikasjoner. Økningen i lysabsorpjon og effektiviteten til elektron-hull-separasjon kan ha stor betydning for utviklingen av nye, bærekraftige fotokatalytiske teknologier.

Hva er mekanismen for fotokatalytisk reduksjon og uttak av uran med B-TiO2@Co2P?

Videre studier av B-TiO2@Co2P-500 har fremhevet flere nøkkelresultater når det gjelder ytelse i uranfjerning og stabilitet: Først og fremst, til tross for tilstedeværelse av forstyrrende metallkationer som K+, Na+, Ca2+, og Mg2+, opprettholdt B-TiO2@Co2P-500 en fjerningseffektivitet på over 95 %, noe som viser materialets robuste ytelse i komplekse vannmatriser der flere ioner kan være til stede samtidig. Når det gjelder effektivitet ved forskjellige urankonsentrasjoner, demonstrerte B-TiO2@Co2P-500 konsekvent høye uranfjerningseffekter (>90 %) på tvers av forskjellige initialkonsentrasjoner (10–50 ppm). Ved en innledende konsentrasjon på 50 mg/l oppnådde materialet en uranuttakskapacitet på hele 421,96 mg/g−1, noe som viser dets sterke evne til å konsentrere uran.

De teoretiske beregningene basert på dens elektronstruktur og DFT-analyse (Density Functional Theory) bekrefter at B-TiO2@Co2P-500 fremmer en effektiv ladningsoverføring på tvers av grensesnittet mellom B-TiO2 og Co2P, og skaper et betydelig internt elektrisk felt (IEF) som legger til rette for orientert ladningsbærermigrasjon gjennom S-type overføringsveier. Denne mekanismen er viktig for den sterke oksidasjonskapasiteten til materialet, og bidrar til en raskere fotokatalytisk reduksjon av uran i vannet.

Det er også viktig å merke seg at en systematisk identifikasjon av reaksjonsproduktene etter fotokatalytisk reduksjon har vist at uran hovedsakelig finnes i form av uranyl-hydroksid ((UO2)O2∙2H2O). ESR-analyser indikerte tilstedeværelsen av superoksid- og hydroksylradikaler (∙O−2 og ∙OH−), som spiller en sentral rolle i dannelsen av uranyl-hydroksid og fremmer fotoreduksjonen av U(VI) til U(IV).

Samlet sett er B-TiO2@Co2P-500 et lovende materiale for fotokatalytisk reduksjon og uttak av uran. De spesifikke metall-oksid-hydrogenbindingene (M—O—H) spiller en avgjørende rolle i adsorpsjonsprosessen, mens grensesnittets elektriske felt og den effektive ladningsoverføringen mellom TiO2 og Co2P forbedrer prosessen ved å redusere bandgapet og akselerere fotokatalytisk reaksjon. Dette gjør B-TiO2@Co2P-500 til et svært effektivt og stabilt materiale for uranfjerning, med potensiale for videre utvikling og praktisk anvendelse i vannbehandlingsteknologier.

Hvordan plasmonisk forbedring kan effektivisere ekstraksjon av uran ved hjelp av ZnO-baserte fotokatalysatorer

Materialer basert på ZnO, forbedret med plasmoniske metaller som gull (Au), sølv (Ag) og kobber (Cu), har vist seg å være svært effektive som fotokatalysatorer for å fjerne uran (U(VI)) fra løsninger. I de eksperimentene som ble gjennomført, viste CCNCI/ZnO materialet en bemerkelsesverdig effektivitet med en berikelsesrate på 98% for U(VI) etter bare 60 minutters behandling. Sammenlignet med andre materialer, som Au/ZnO og Ag/ZnO, som hadde fjernet henholdsvis 73,4% og 81,2% av U(VI), viste CCNCI/ZnO en betydelig høyere ytelse, noe som understreker viktigheten av å bruke plasmoniske metaller for å forbedre effektiviteten i fotokatalytiske prosesser.

Dette funnet ble ytterligere bekreftet av eksperimenter som viste at CCNCI/ZnO forble svært effektivt i en rekke forhold. For eksempel, til tross for et økende initialt konsentrasjonsområde på 10 til 800 ppm, nådde materialet en enestående kapasitet for U(VI) berikelse på opptil 2405,3 mg/g ved 800 ppm, uten å vise tegn på metning. Dette antyder at materialet har en eksepsjonell kapasitet til å binde og konsentrere U(VI) under varierte forhold, noe som er avgjørende i praktiske applikasjoner.

Den høye effektiviteten til CCNCI/ZnO ble også bekreftet under naturlig sollys, noe som er en stor fordel for praktisk anvendelse. I et eksperiment utført fra kl. 9.00 til 17.00 under direkte sollys ble konsentrasjonen av U(VI) i løsningen redusert fra 200 ppm til bare 9 ppm, noe som demonstrerer materialets langvarige og kraftige ytelse selv under virkelige miljøforhold. Dette er spesielt viktig for industrielle prosesser som krever stabilitet og effektivitet over tid.

Stabilitet og gjenbruk er også kritiske faktorer for materialer som brukes i praktiske applikasjoner. CCNCI/ZnO viste en imponerende stabilitet, og beholdt over 93% av sin opprinnelige adsorpsjonskapasitet etter flere sykluser med fotoreduksjon av U(VI), noe som indikerer at materialet kan brukes i langvarige prosesser uten betydelig tap av ytelse. Dette er en viktig fordel når man sammenligner CCNCI/ZnO med andre materialer som Cu/ZnO, som viste mindre stabilitet.

En dypere forståelse av de optiske og elektroniske egenskapene til CCNCI/ZnO kan kaste lys over hvorfor dette materialet er så effektivt. Difus reflektans UV-Vis spektra viste at P-ZnO hadde sterke absorberingsegenskaper i UV-regionen, mens Cu/ZnO og CCNCI/ZnO viste en markant topp ved omtrent 560 nm, som er et resultat av plasmonisk absorpsjon i Cu-nanokrystallene. Dette tyder på at plasmoniske effekter spiller en nøkkelrolle i materialets evne til å fjerne U(VI).

Videre viste elektro-kjemiske målinger at Cu/ZnO og CCNCI/ZnO genererte sterke fotostrømsignaler, noe som indikerer at disse materialene har en forbedret evne til å generere og utnytte fotokatalytiske prosesser. Dette er en avgjørende egenskap for materialer som brukes til fotokatalyse, da det gir en høyere effektivitet i prosessene for elektron-hull separasjon og elektronoverføring. Disse prosessene er essensielle for å fremme reaksjoner som fotoreduksjon av U(VI).

I tillegg, ved hjelp av in-situ XPS-målinger, ble det observert at fotogenererte elektroner ble overført fra Cu80Co5Ni5Cd5In5 nanokrystallene til ZnO, og at disse elektronene ble fanget av oksygen-vakanser (OVs) i ZnO-strukturen. Disse elektronene fungerer som aktive agenter for fotoreduksjon av U(VI), og understreker hvor viktig interfasen mellom Cu og ZnO er for prosessen.

For å virkelig utnytte potensialet til CCNCI/ZnO i praktiske applikasjoner, er det viktig å vurdere flere faktorer. For det første er det viktig å forstå at fotokatalytiske prosesser som dette kan være påvirket av flere variabler, som pH, tilstedeværelsen av coeksisterende ioner, og konsentrasjonen av forurensende stoffer i løsningen. I tillegg bør man undersøke videre hvordan materialets ytelse kan optimaliseres under forskjellige lysforhold og hvordan man kan forbedre materialets tilpasningsevne til forskjellige typer forurensede løsninger.

Hvordan fotokatalyse kan forbedre reduksjon og ekstraksjon av uran: Nyeste fremskritt og teknologier

Fotokatalytiske prosesser har fått betydelig oppmerksomhet i miljøteknologi, spesielt når det gjelder fjerning og behandling av radioaktive elementer som uran. Denne teknologien er drevet av synlig lys og kan spille en viktig rolle i renere energiproduksjon og miljøforbedring. Uran er et tungmetall som finnes i naturen og i industrirester, og dets toksiske effekter på både mennesker og økosystemer gjør det nødvendig å utvikle effektive metoder for å fjerne det fra vann og andre miljøer. Mange av de nyeste fremskrittene innen fotokatalyse er spesielt rettet mot forbedret fjerning og immobilisering av uran ved hjelp av ulike fotokatalytiske materialer.

En betydelig utvikling i dette området er bruken av grafitt-karbon-nitritt (g-C3N4), som har vist seg å være et effektivt materiale for fotokatalytisk reduksjon av uran(VI) i både laboratorie- og feltforhold. For eksempel, i en studie fra 2020 (Wang et al.) ble g-C3N4 nanosheets brukt som en metallfri katalysator som drevet av synlig lys kunne redusere uran(VI) til lavere toksiske former. Denne teknologien er spesielt interessant fordi den ikke krever bruk av dyre eller giftige metaller, noe som gjør prosessen både økonomisk og miljøvennlig.

I tillegg til grafitt-karbon-nitritt og MOFs, har andre materialer som TiO2, MXene og ZnFe2O4 blitt undersøkt for deres fotokatalytiske egenskaper. TiO2, for eksempel, er et velkjent fotokatalytisk materiale, men for å forbedre effektiviteten i fotoreduksjon av uran har forskere utført doping med andre elementer som kobber og sink. Slike modifikasjoner forbedrer både den fotokatalytiske aktivitet og stabilitet i lengre tid.

En annen interessant tilnærming er bruken av hybridmaterialer, som kombinerer to eller flere fotokatalytiske materialer i et heterojunktionssystem. Dette øker både effektiviteten til prosessen ved å forbedre ladningsseparasjon og forlenge levetiden til fotokatalysatorene. Et eksempel på dette er utviklingen av ZnFe2O4/g-C3N4 hybridmaterialer, som har vist seg å ha forbedret fotokatalytisk aktivitet og økt adsorpsjonsevne for uran(VI).

Bruken av fotokatalyse for uranreduksjon går også hånd i hånd med forskning på andre teknologier som kan bidra til bedre utnyttelse av sollys og mer effektivt energiforbruk. For eksempel er det i den siste tidens forskning blitt utført betydelig arbeid på sol-drevne fotokatalytiske vannsplittingsteknikker som også kan være relevante for prosesser som fjerning av uran fra vann.

For å oppnå optimal fotokatalytisk aktivitet, er det nødvendig å finne den rette balansen mellom materialenes fotokatalytiske egenskaper, energiutnyttelse og kostnadseffektivitet. En annen viktig faktor er den lokale miljøpåvirkningen, særlig ved bruk av materialer som kan være skadelige på lang sikt, selv om de er effektive i fotokatalytiske prosesser. I tillegg er det nødvendig å utvikle metoder for å håndtere og gjenbruke fotokatalysatorene på en bærekraftig måte etter at de har vært i bruk.

Endtext