Hvordan kan fotokatalytiske materialer forbedre ekstraksjon av U(VI)?

Fotodrevet adsorpsjon og reduksjon av U(VI) har fått betydelig global oppmerksomhet. For eksempel har polyoksometalat-organiske rammeverk som SCU-19 vist en betydelig høyere kapasitet for å fjerne U(VI) under lysbelysning sammenlignet med forhold uten lys, og oppnådde en ekstraksjonsmasse på 728,34 mg/g og en fjerningseffektivitet på 91%. På samme måte har Wang og hans team rapportert at integreringen av svart fosfor-nanoskjell i polyakrylamidoksim førte til en høy U(VI)-berikelseskapasitet på 11,76 mg/g når det ble eksponert for lys i naturlig sjøvann med bakterier.

Semikonduktorer, som vanligvis brukes som fotokatalysatorer i fotoassistert behandling av U(VI), benytter seg kun av fotoner som har tilstrekkelig energi til å overstige båndgapet, noe som betyr at kun en liten del av sollyset utnyttes under fotoreduksjonsprosessen. Dette begrenser behandlingseffektiviteten for U(VI) betydelig. Derfor er det et presserende behov for å utvikle fotokatalysatorer med høyere aktivitet som kan utvide det responsområde som kan reagere på sollys, og dermed forbedre fotoassistert ekstraksjon av U(VI). Denne utfordringen er imidlertid fortsatt et viktig tema i forskningen.

Plasmametalliske nanokrystaller er svært egnede materialer for å utnytte solenergi gjennom mekanismen kjent som lokaliserte plasmon-resonans (LSPR). De har store absorpsjonskryssseksjoner på tvers av det synlige lys-spektret, takket være deres høye kvalitet. Per i dag fokuserer forskningen på plasmonisk katalyse hovedsakelig på gull- og sølv-nanokrystaller, men praktiske anvendelser av de billigere og mer tilgjengelige kobber-nanokrystallene er betydelig hemmet av deres sårbarhet for oksidasjon i luft og vann.

Nylige funn har imidlertid vist at stabiliteten til aktive ikke-noble metallnanokrystaller kan forbedres betydelig gjennom dannelsen av multimetalliske legeringer. Slike legeringer har langt høyere konfigurasjonell entropi sammenlignet med deres monometalliske eller bimetalliske motparter, en egenskap som direkte forbedrer deres stabilitet. Å løse problemet med korrosjon av kobbernanokrystaller i plasmonisk katalyse er derfor et viktig steg mot å utvikle mer effektive og stabile katalysatorer.

Forskningen har nylig vist at svært aktive og stabile fotokatalysatorer for fotoassistert behandling av U(VI) kan oppnås ved å deponere Cu80Co5Ni5Cd5In5-nanokrystaller på porøst ZnO (CCNCI/ZnO). Det er viktig å merke seg at denne hybridstrukturen demonstrerte en imponerende U(VI)-berikelseshastighet på 98,0% i løpet av 60 minutter, sammen med en enestående U(VI)-berikelseskapasitet på 2405,3 mg/g. Stabiliteten til CCNCI/ZnO under fotokatalytiske prosesser kan tilskrives den økte entropien til Cu80Co5Ni5Cd5In5-nanokrystallene. Mekanistiske undersøkelser har vist at LSPR-effekten til Cu80Co5Ni5Cd5In5 nanokrystallene betydelig forbedrer responsen på synlig lys.

Den spesifikke fremstillingsmetoden for Cu/ZnO, som ble benyttet ved hjelp av solvotermisk syntese, involverte kombinasjon av kobberprekurser med ZIF-8 i en metanol- og etanolblanding, som deretter ble varmet opp til 220 °C i 10 timer. Når multimetalliske legeringer skulle syntetiseres ved denne metoden, var det avgjørende at de enkelte elementene hadde lignende standard redoks-potensialer, noe som tillot samtidig utfelling av elementene.

CCNCI/ZnO-kompositten ble dannet gjennom en kontrollert synteseprosess som optimaliserte fordelingen og sammensetningen av de multimetalliske nanokrystallene. Ved å justere forholdet mellom metallprekurser kunne forskerne oppnå en presis kontroll over legeringens sammensetning og den strukturelle integriteten til det ferdige materialet, noe som ytterligere forbedret de potensielle bruksområdene for katalytiske og funksjonelle systemer.

I laboratorieforsøk ble materialene brukt som fotokatalysatorer for berikelse av U(VI). Resultatene viste at, i fravær av lys, hadde P-ZnO, Cu/ZnO og CCNCI/ZnO omtrent samme adsorpsjonskapasitet (ca. 250 mg/g etter 60 minutter), med en fjerningseffektivitet på rundt 35%. Under lysbelysning ble adsorpsjonskapasiteten og fjerningseffektiviteten av U(VI) imidlertid betydelig forbedret, og de materialene som ble eksponert for lys viste en dramatisk økt adsorpsjonshastighet.

Det er viktig for leseren å forstå at slike teknologier ikke bare er av interesse for utdyping av vår vitenskapelige forståelse av fotokatalyse, men også for praktisk anvendelse i industrielle og miljømessige sammenhenger. Fremtidige studier bør fokusere på ytterligere forbedringer av materialenes stabilitet og ytelse under varierte miljøforhold, samt på metoder for å forenkle produksjonen av slike materialer for storskala bruk.

Hvordan elektrolytisk reduksjon kan effektivisere uranuttak fra sjøvann

Elektrokjemiske metoder for uranuttak fra sjøvann har fått økt oppmerksomhet som en potensiell løsning for å håndtere den globale etterspørselen etter uranressurser. En av de mest lovende teknologiene innen dette feltet er elektrolytisk reduksjon, der en elektrode med spesifikke egenskaper benyttes for å binde og redusere uranionene til uranmetall, som deretter kan ekstrakteres effektivt fra sjøvannet.

Forskere har brukt ulike materialer som elektroder i dette prosessen, og ett av de mest interessante materialene som har vist seg å ha stor potensial, er molybdendisulfid (MoS2), spesielt når det er modifisert med svovelkantdefekter (S-terminert MoS2). Disse svovelaktiverte kantene fungerer som aktive steder for elektrokatalyse og forbedrer uranuttaket betydelig. Sammenlignet med MoS2 uten slike modifikasjoner, har S-terminert MoS2 vist seg å ha en langt høyere kapasitet og raskere reaksjonshastighet for uranreduksjon.

En viktig faktor som påvirker effektiviteten til denne prosessen er spenningen som påføres elektrodene. Studien til Cui og kollegaer viste at for å oppnå høy effektivitet i uranuttak fra sjøvann, måtte en spenning på -5V påføres elektroden som inneholder amidoksim-grupper. Dette resulterte i en imponerende uranadsorpsjon på 1932 mg/g i sjøvann forurenset med 1000 ppm uran. I kontrast, den elektrolytiske reduksjonen ved bruk av S-terminert MoS2 krevde en lavere spenning på -3V for å oppnå nesten 90 % uranuttak i løpet av 30 minutter, med et totalt energiforbruk på bare 8,7 mWh.

Strukturelle undersøkelser av MoS2 og S-terminert MoS2 ved hjelp av transmisjonselektronmikroskopi (TEM) og høyvinklet annular mørkfelt scanning elektronmikroskopi (HAADF-STEM) viste at de to materialene hadde en lignende flakeformet nanosheet-struktur, men at de S-terminerte MoS2-flakene hadde mer udefinerte kanter på grunn av svovelatomene som migrerte under mikroskopprosessen. Dette antyder at svovelkanter er svært viktige for uranbinding, noe som gjør dem til de mest effektive aktive områdene under elektrokatalytiske prosesser.

I eksperimentelle tester ble det påvist at S-terminert MoS2 viste seg å være langt mer effektivt for uranuttak i sjøvann med høye konsentrasjoner av uran, som 20 ppm og 100 ppm. Etter bare ni timers ekstraksjon med 20 ppm uran, ble effektiviteten 80 %, og etter 18 timer nærmet den seg 100 %. I motsetning til dette, ble MoS2 uten svovelmodifikasjon mettet etter en lengre tids ekstraksjon, og effektiviteten stoppet nesten opp etter ni timer. Denne forskjellen kan forklares med den økte reaktiviteten til de svovelmodifiserte kantene i MoS2, som binder uranionene mer effektivt enn den mer stabile strukturen i uendret MoS2.

En annen viktig aspekt ved S-terminert MoS2 er dens evne til å motstå forurensning fra andre ioner som kan være til stede i sjøvann, som klorider eller natrium. Når MoS2 ble testet i sjøvann med forskjellige interfererende ioner, ble det funnet at S-terminert MoS2 opprettholdt en høy uranuttakseffektivitet på 85 %, selv når disse ionene var til stede. Dette gjør MoS2-modifikasjonen til en robust løsning for uranuttak, spesielt i virkelige sjøvannsforhold der forurensning fra andre elementer er uunngåelig.

Videre viser stabilitetstester at S-terminert MoS2 kan brukes flere ganger uten betydelig tap av effektivitet. Etter ni ekstraksjon- og desorpsjonssykluser i sjøvann, ble effektiviteten redusert fra 91,5 % til 78,7 %, noe som indikerer god langtidsholdbarhet for materialet. Denne stabiliteten er avgjørende for praktisk anvendelse i stor skala, da materialet kan gjenbrukes mange ganger uten å miste sin ytelse betraktelig.

Det er viktig å merke seg at selv om S-terminert MoS2 viser fremragende resultater i lab-skalaforsøk, vil praktiske applikasjoner fortsatt kreve ytterligere forskning for å optimalisere materialet for industrialisert bruk. For eksempel vil utviklingen av elektroder som kan håndtere større volum sjøvann og vedvarende drift uten tap av effektivitet være avgjørende for å gjøre denne teknologien kommersielt levedyktig.